[논문 리뷰] First determination of s-process element abundances in pre-main sequence clusters: Y, Zr, La, and Ce in IC 2391, the Argus association and IC 2602

V. D’Orazi, Gayandhi De Silva외 1명|Cineca Institutional Research Information System (Tor Vergata University)|2016. 12. 19.

Astro and Planetary Science인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 IC 2391, 아르거스 연합, IC 2602의 주시퀀스 이전 별 집단에서 s-과정 원소 Y, Zr, La, Ce에 대한 최초의 고해상도 스펙트로스코픽 측정을 제시한다. 고S/N 데이터를 바탕으로 한 차등 스펙트럼 합성 분석을 통해 Ba는 강하게 증가되어 있음([Ba/Fe] ≈ 0.65 dex)을 확인했지만, 다른 모든 s-과정 원소는 태양과 동일한 비율을 보이며, 이는 젊은 별 집단에서 표준 s-과정 핵합성 모델에 도전하는 결과이다.

ABSTRACT

Several high-resolution spectroscopic studies have provided compelling observational evidence that open clusters display a decreasing trend of their barium abundances as a function of the cluster's age. Young clusters (ages~200 Myr) exhibit significant enhancement in the [Ba/Fe] ratios, at variance with solar-age clusters where the Ba content has been found to be [Ba/Fe]~0 dex. Different viable solutions have been suggested in the literature, nevertheless, a conclusive interpretation of such a peculiar trend has not been found. Interestingly, it is debated whether the other species produced with Ba via s-process reactions do follow the same trend with age. Pre-main sequence clusters (~10-50 Myr) show the most extreme behaviour in this respect: their [Ba/Fe] ratios can reach 0.65 dex, which higher than the solar value by a factor of four. Crucially, there are no investigations of the other s-process species for these young stellar populations. In this paper we present, the first determination of Y, Zr, La, and Ce in clusters IC 2391, IC 2602 and the Argus association. The main objective of our work is to ascertain whether these elements reveal the same enhancement as Ba. Our results indicate that, at variance with Ba, all the other s-process species exhibit a solar scaled pattern: these clusters confirm a similar trend discovered in the slightly older local associations (e.g., AB Doradus, Carina Near), where only Ba exhibit enhanced value with all other s process species being solar. We have discussed several possible explanations such as e.g., chromospheric effects, departures from the LTE approximation, or the activation of a different nucleosynthesis chain. We cannot currently provide the definite answer to this question and future investigations from theoretical and observational perspectives are sorely needed.

연구 동기 및 목표

• 젊은 주시퀀스 이전 별 집단에서 Y, Zr, La, Ce에 대한 s-과정 원소 농도를 최초로 결정하기 위해.
• 관측된 바나드ium 증가([Ba/Fe] ≈ 0.65 dex 이하)가 다른 s-과정 원소에도 공통적으로 나타나는지 테스트하기 위해.
• 젊은 별 집단에서 특이한 Ba 증가 현상이 표준 s-과정 핵합성과 일치하는지, 또는 새로운 메커니즘이 필요한지 조사하기 위해.
• 약간 더 어린 연합(예: AB Doradus, Carina-Near)에서 이전에 얻은 결과를 더 어린 주시퀀스 이전 별 집단으로 확장하기 위해.
• 비표준 상태나 비-열역학적 평형(Non-LTE), 또는 코로나 활성도와 같은 체계적 요인이 비정상적인 Ba 패턴을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• ESO 프로그램 080.D-2002 및 082.C-0218를 통해 고해상도, 고신호대비비율(S/N) 스펙트로스코픽 데이터 확보.
• 체계적 불확실성을 최소화하기 위해 철점 원소를 기준으로 삼아 엄격한 차등 농도 분석 수행.
• 개별 흡수선에서 Y, Zr, La, Ce의 농도를 유도하기 위해 스펙트럼 합성 계산 수행.
• 모든 대상 별에 대해 일관된 별대기층 파arameter(Teff, log g, ξ)를 적용하여 내부 오차 감소.
• 모델 대기층과 선목록 데이터를 사용해 계산된 합성 스펙트럼과 관측된 선형형과 비교.
• 미세난류, 비-열역학적 평형 효과, 코로나 활성도에 대한 민감도 테스트를 통해 잠재적 체계적 오차 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba 이외의 s-과정 원소—특히 Y, Zr, La, Ce—가 주시퀀스 이전 별 집단에서 Ba와 동일한 증가를 보이는가?
• RQ2 젊은 별 집단(10–50 Myr)에서 관측된 Ba 증가 현상이 표준 s-과정 핵합성 모델과 일치하는가?
• RQ3 비-열역학적 평형 효과, 코로나 활성도, 또는 미세난류가 새로운 핵합성 과정을 도입하지 않고도 비정상적인 Ba 농도를 설명할 수 있는가?
• RQ4 이전에 관측된 오래된 국지 연합(예: AB Doradus)에서의 패턴이 더 어린 주시퀀스 이전 별 집단으로까지 확장되는가?
• RQ5 Ba 과잉을 설명하면서 다른 s-과정 원소는 그대로 유지하는 새로운 핵합성 과정(예: i-과정)의 증거가 있는가?

주요 결과

• IC 2391, 아르거스, IC 2602에서 [Ba/Fe] 비율은 최대 0.65 dex에 이르며, 다른 젊은 별 집단에서 관측된 극도의 증가를 확인한다.
• Ba 이외의 모든 s-과정 원소—Y, Zr, La, Ce—는 태양 비율을 보이며, 표본 전반에서 [X/Fe] ≈ 0.0 dex이다.
• [Y/Fe], [Zr/Fe], [La/Fe], [Ce/Fe] 비율은 태양계 s-과정 패턴과 일치하며, Ba처럼 증가하지는 않는다.
• 이 결과는 이전에 오래된 연합(예: D’Orazi 등 2012; Reddy & Lambert 2015)에서 얻은 결과를 확인하고 확장하며, Ba만 비정상적임을 보여준다.
• Ba와 다른 s-과정 원소 간의 괴리 현상은 표준 s-과정 핵합성 모델로는 설명될 수 없으며, 이는 새로운 메커니즘이 필요함을 시사한다.
• 다른 s-과정 원소를 증가시키지 않고 Ba만 생성하는 i-과정은 유망한 해석이지만 아직 확인되지 않았으며, 향후 이론적 및 관측적 검증이 필요하다.