[論文レビュー] Traits for chemical evolution in solar twins: Trends of neutron-capture elements with stellar age

P. Jofré, Holly Jackson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 27被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、80個の太陽類星で中性子捕獲（n-捕獲）元素と他の核合成ファミリーに属する元素を組み合わせた、55個の質量比が星の年齢と強く線形的傾向を示すことを特定した。主な発見は、[C/Ba]が最も急峻な年齢依存性（0.049 ± 0.003 dex/Gyr）を示しており、これはs過程元素—鉄ではなく—が太陽系近傍の化学的進化モデルにおける基準質量比として用いられるべきであることを示唆している。

ABSTRACT

The physical processes driving chemical evolution in the Milky Way can be probed using the distribution of abundances in low-mass FGK type stars in space phase at different times. During their final stages of evolution stars experience nucleosynthesis several times, each at different timescales and producing different chemical elements, so finding abundance ratios that have simple variations across cosmic times remains a challenge. Using the sample of 80 solar twins for which ages and abundances of 30 elements were measured with high precision by Bedell et al 2018, we searched for all possible abundance ratios combinations that show linear trends with age. We found 55 such ratios, all combining a neutron-capture element and another one produced by different nucleosynthesis channels. We recovered the ratios of [Y/Mg], [Ba/Mg] and [Al/Y] reported previously in the literature, and found that [C/Ba] had the largest dependency with age with a slope of $0.049 \pm 0.003~\mathrm{dex/Gyr}$, imposing constraints on the magnitude of time dependency of abundance ratios in solar twins. Our results suggest using s-process elements, in lieu of Fe, as a reference for constraining chemical evolution models of the solar neighbourhood. Our study illustrates hows a large variety of chemical elements measured from high resolution spectra is key in facing current challenges in understanding the formation and evolution of our Galaxy.

研究の動機と目的

• 太陽類星における質量比のうち、星の年齢と顕著な線形的傾向を示すものを特定すること。
• 中性子捕獲元素（s過程）が、鉄よりも化学的進化をトレースする基準要素として効果的かどうかを特定すること。
• 多様な核合成ファミリーに属する30元素の高精度質量比測定の有用性を検討すること。
• 銀河進化モデルや星の系統発生論に使用可能な、新たな堅牢な「化学的時計」比のセットを提供すること。

提案手法

• 80個の太陽類星の高精度な30元素の質量比と星の年齢（Bedell et al. 2018）を用いた。
• 年齢関数としてのすべての可能な質量比組み合わせについて線形回帰を実行した。
• 統計的有意性を確保するため、勾配が0.03 dex/Gyr以上かつ相関係数が0.7を超える比のみを選択した。
• 核合成ファミリー（例：s過程、α捕獲、奇Z、鉄族）に要素を分類し、傾向の解釈を図った。
• 線形フィッティングにはPythonのscipy.stats.linregressを使用し、可視化による傾向の検証も実施した。
• 系統的依存性を評価するため、核合成ファミリーごとに結果をグループ化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽類星におけるどの質量比が星の年齢と顕著な線形的傾向を示すか？
• RQ2 これらの傾向の勾配は、異なる核合成ファミリー間でどのように比較できるか？
• RQ3 [C/Ba]比は、すべての組み合わせの中で最も年齢依存性が強い比か？
• RQ4 s過程元素は、化学的進化モデルにおいて鉄よりも優れた基準要素として機能できるか？
• RQ5 Al や Cu といった奇Z元素は、星の年齢にわたってs過程元素と一貫した傾向を示すか？

主な発見

• 55個の質量比が年齢と顕著な線形的傾向を示し、すべてが中性子捕獲元素と他の核合成ファミリーに属する元素の組み合わせであった。
• [C/Ba]比は最も急峻な年齢依存性を示し、勾配は0.049 ± 0.003 dex/Gyrであり、テストされたすべての比の中で最大であった。
• 55個の有意な比のすべてが、s過程の太陽系s過程割合がr過程割合を上回る要素を含んでいた。
• [Mg/Y]および[Mg/Ba]比は、以前に「化学的時計」として報告されたが、高い有意性で再確認された。
• Ni や Mn といった鉄族元素も、s過程元素と組み合わせると無視できない年齢依存性を示し、鉄族元素が情報量が少ないという仮定に疑問を呈した。
• 結果から、s過程元素が太陽系近傍の化学的進化モデルの制約に鉄よりも効果的に基準質量比として用いられるべきであることが示唆された。