[論文レビュー] The survival of 205Pb in intermediate-mass AGB stars

N. Mowlavï, S. Goriely+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、詳細な星間モデルを用いて、中質量の漸近巨星分枝星（AGB星）における絶滅した放射性核種 205Pb の生存および表面への富化を調査している。3M⊙、Z=0.02 の星では 205Pb の表面汚染はありえないが、質量が大きくあるいは金属量が低い星（例：6M⊙、Z=0.02 または 3M⊙、Z=0.001）では顕著に高い可能性がある。これは、205Pb の生成および破壊を支配する弱い相互作用の反応率が温度および密度に強く依存するためである。

ABSTRACT

The now extinct 205Pb is a pure s-process radionuclide (t_{1/2} = 1.5x10^7 y) of possible substantial cosmochemical interest. As a necessary complement to the detailed theoretical study of the nuclear physics and astrophysics aspects of the 205Pb - 205Tl pair carried out by Yokoi et al. (1985), and to the recent calculation of the 205Pb production in Wolf-Rayet stars by Arnould et al. (1997), this paper addresses for the first time in some detail the question of the survival of this radionuclide in thermally pulsing AGB stars. This problem is made difficult by the high sensitivity to temperature and density of the rates of the weak interaction processes that are able to produce or destroy 205Pb. In view of this sensitivity, a recourse to detailed stellar models is mandatory. With the help of some simplifying assumptions concerning in particular the third dredge-up characteristics, some of which (like its depth) being considered as free parameters, predictions are made for the 205Pb contamination of the stellar surface at the end of a pulse-interpulse cycle following a series of a dozen of pulses in three different intermediate-mass stars (M=3M_sun,Z=0.02; M=6M_sun,Z=0.02; M=3M_sun,Z=0.001). It is concluded that the chances for a significant 205Pb surface enrichment are likely to increase with M for a given Z, or to increase with decreasing Z for a given M. More specifically, following the considered pulses at least, the enrichment appears to be rather unlikely in the 3M_sun star with Z=0.02, while it seems to be much more probable in the other two considered stars. It is also speculated that the (3M_sun,Z=0.02) star could possibly experience some 205Pb enrichment following later pulses than the ones considered in this paper.

研究の動機と目的

• 中質量 AGB 星における絶滅した放射性核種 205Pb の生存および表面への富化可能性を評価すること。
• 205Pb の生成または破壊を支配する弱い相互作用の反応率が高温・高密度に強く依存するという課題に対処すること。
• 特に第3の対流混合（third dredge-up）が、複数回の熱パルスにわたる 205Pb 表面濃度に与える影響を評価すること。
• 205Pb の汚染が最も起こりやすい星の条件（質量および金属量）を特定すること。
• 前記の理論的検討を、Wolf-Rayet 星における 205Pb 生成に代えて、AGB 星の進化に焦点を当てることで拡張すること。

提案手法

• 中質量 AGB 星として 3M⊙、Z=0.02；6M⊙、Z=0.02；3M⊙、Z=0.001 の3つの星について、詳細な星の進化モデルを用いた。
• 熱パルスおよび第3の対流混合の影響を組み込み、その深さを自由パラメータとして扱い、さまざまなシナリオを探索した。
• 温度および密度に敏感な核反応率を用いて、弱い相互作用による 205Pb の生成および破壊をモデル化した。
• 十数回の熱パルスにわたって 205Pb の表面濃度を追跡し、パルス間サイクルの終焉に注目した。
• 複雑な星間物理を計算可能にするために簡略化仮定を導入しつつ、主要な物理的洞察を保持した。
• 異なる星の質量および金属量における予測された 205Pb 表面濃度を比較し、富化の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数回の熱パルスを経た中質量 AGB 星において、205Pb が生存し、表面に富化する可能性はどの程度か？
• RQ2 第3の対流混合は、AGB 星における 205Pb 表面濃度にどのように影響するか？
• RQ3 星の質量が、異なる金属量を有する AGB 星における 205Pb の生存および表面富化にどのように影響するか？
• RQ4 金属量は、AGB 星における 205Pb 表面汚染の確率を決定づける要因として果たす役割は何か？
• RQ5 3M⊙、Z=0.02 の星において、初期段階での生存確率が低くても、後続の熱パルスが検出可能な 205Pb 富化を引き起こす可能性はあるか？

主な発見

• 3M⊙、Z=0.02 の AGB 星では、最初の十数回の熱パルスを経た後、205Pb の表面富化はありえない。
• 質量が大きい AGB 星、たとえば 6M⊙、Z=0.02 の星では、顕著な 205Pb 表面富化がより起こりやすくなる。
• 金属量が低い星、たとえば 3M⊙、Z=0.001 の星は、太陽系金属量の星と比較して、205Pb 表面汚染の可能性がより高い。
• 205Pb の生存確率は、星の質量が大きくなるほど、金属量が低くなるほど高くなる。
• 3M⊙、Z=0.02 の星では、初期の十数回のパルスを超えた後続の熱パルスを考慮すれば、205Pb 富化が依然として起こり得る。
• 205Pb の生存は、特にヘリウム間層における温度および密度条件に強く依存しており、これは弱い相互作用の反応率に起因する。