[논문 리뷰] Atomic diffusion in metal-poor stars: II. Predictions for the Spite plateau

M. Salaris, Achim Weiß|ArXiv.org|2001. 04. 25.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 24인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 금속 빈도가 낮은 항성에서 관측된 리튬 평탄부를 원자 확산을 고려한 항성 모형을 통해 재현할 수 있음을 보여준다. 이는 가장 금속 빈도가 낮은 헬리오스피어 항성들이 13.5–14 Gyr의 나이를 가진다는 전제 하에 성립한다. 모형은 표준 값보다 약 2배 낮은 원시 리튬 농도를 예측하며, 이는 높은 천체물리학적 비율의 이중수소 밀도와 낮은 이중수소 농도와 일치한다. 이는 오랫동안 널리 받아들여진 리튬 평탄부가 확산이 억제된 상태에서만 발생할 수 있다는 전제를 도전한다.

ABSTRACT

We have computed a grid of up-to-date stellar evolutionary models including atomic diffusion, in order to study the evolution with time of the surface Li abundance in low-mass metal-poor stars. We discuss in detail the dependence of the surface Li evolution on the initial metallicity and stellar mass, and compare the abundances obtained from our models with the available Li measurements in Pop II stars. While it is widely accepted that the existence of the Spite Li-plateau for these stars is a strong evidence that diffusion is inhibited, we show that, when taking into account observational errors, uncertainties in the Li abundance determinations, in the effective temperature scale, and in particular the size of the observed samples of stars, the Spite plateau and the Li abundances in subgiant branch stars can be reproduced also by models including fully efficient diffusion, provided that the most metal-poor field halo objects are between 13.5 and 14 Gyr old. We provide the value of the minimum number of plateau stars to observe, for discriminating between efficient or inhibited diffusion. From our models with diffusion we derive that the average Li abundance along the Spite plateau is about a factor of 2 lower than the primordial one. As a consequence, the derived primordial Li abundance is consistent with a high helium and low deuterium Big Bang Nucleosynthesis; this implies a high cosmological baryon density as inferred from the analyses of the cosmic microwave background.

연구 동기 및 목표

• 최신 항성 모형에 원자 확산을 포함한 바탕으로 스파이트 리튬 평탄부의 해석을 재평가하는 것.
• 현재 관측 불확실성 하에서 완전히 효율적인 확산을 가진 모형이 관측된 평탄부를 재현할 수 있는지 평가하는 것.
• 완전한 확산과 억제된 확산을 구별하기 위해 필요한 최소한의 평탄부 항성 수를 결정하는 것.
• 확산 포함 모형이 원시 리튬 농도와 천체물리학적 비율의 이중수소 농도에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 최신 상태방정식, 투과도, 핵반응률을 사용하여 원자 확산을 포함한 저질량, 금속 빈도가 낮은 항성 진화 모형의 격자 계산을 수행하였다.
• 다양한 初기 금속 농도와 항성 질량에 따라 동일한 수명선을 따라 표면 리튬 농도의 효과적 온도와 나이에 따른 진화를 추적하였다.
• 관측 오차, T_eff 척도의 불확실성, 샘플 크기 제약 조건을 고려하여 모형 예측을 인구 II 항성의 관측 리튬 농도와 비교하였다.
• 관측된 평탄부의 폭과 농도 수준을 사용하여 효율적 확산와 억제된 확산을 구별하기 위해 필요한 최소 항성 수에 대한 제약 조건을 유도하였다.
• 초기 He 농도와 나이가 리튬 탈퇴에 미치는 영향을 평가하여, Y = 0.24의 초기 농도가 약 1 Gyr의 나이 이동을 유도함을 보였다.
• 복사 령도에 의한 확산 속도 과대평가 가능성과 질량 손실의 영향을 평가하여, 이들이 탈퇴를 과대평가할 수 있으나 주요 결과에는 영향을 주지 않는다고 결론 내렸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 관측 불확실성 하에서, 완전히 효율적인 원자 확산을 가진 모형이 금속 빈도가 낮은 항성에서 스파이트 리튬 평탄부를 재현할 수 있는가?
• RQ2 통계적으로 효율적 확산와 억제된 확산를 구별하기 위해 필요한 최소한의 관측 평탄부 항성 수는 얼마인가?
• RQ3 원자 확산의 포함이 추정된 원시 리튬 농도와 천체물리학적 비율의 이중수소 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 효과적 온도, 농도 측정, 샘플 크기의 불확실성이 확산에 대한 반대 증거로 평탄부를 해석하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 확산이 완전히 포함된 경우 관측된 리튬 평탄부는 높은 천체물리학적 비율의 이중수소 농도와 낮은 이중수소 농도와 일치하는가?

주요 결과

• 가장 금속 빈도가 낮은 헬리오스피어 항성들이 13.5–14 Gyr의 나이를 가진다는 전제 하에, 스파이트 리튬 평탄부는 완전히 효율적인 원자 확산을 포함한 모형으로 재현될 수 있다.
• 평탄부를 따라 평균 리튬 농도는 표준 원시 값보다 약 2배 낮게 예측되며, 이는 낮은 初기 7Li 농도를 암시한다.
• 이 낮은 원시 리튬 농도는 높은 천체물리학적 비율(Ω_B ≈ 0.037)과 낮은 이중수소 농도와 일치하며, 우주 마이크로파 배경 측정과 부합한다.
• 관측 오차, T_eff의 불확실성, 제한된 샘플 크기의 복합적 영향로 인해 평탄부는 이전에 생각했던 것처럼 원자 확산에 대한 강력한 반증이 되지 못한다.
• 효율적 확산와 억제된 확산를 구별하기 위해 필요한 최소 평탄부 항성 수가 유도되었지만, 정확한 수치는 본문에 명시되어 있지 않다.
• 모형은 복사 령도와 질량 손실과 같은 불확실성에도 불구하고 관측 평탄부가 견고함을 시사하며, 이는 탈퇴를 과대평가할 수 있으나 핵심 결과에는 영향을 주지 않는다.