[논문 리뷰] First Stars II. Elemental abundances in the extremely metal-poor star CS 22949--037: A diagnostic of early massive supernovae

É. Depagne, V. Hill외 11명|ArXiv.org|2002. 05. 15.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 35인용 수 122

한 줄 요약

이 연구는 매우 저금속성 거대별 CS 22949–037([Fe/H] ≈ −4.0)의 고해상도 VLT-UVES 스펙트로스코피를 제시하며, 산소([O/Fe] = 1.97 ± 0.1)와 질소([N/Fe] = 2.56 ± 0.2)의 극도로 높은 증가와 낮은 12C/13C 비율(4 ± 2)을 확인하여 CNO 처리의 심각한 영향을 시사한다. 이는 쌍대성 불안정성 초신성 모델보다는 30–40 M☉ 핵붕괴 초신성에 의해 발생한 후보자로, 후보자에 대한 예측과 일치하지 않는 불균형한 홀수-짝수 원소 및 Zn 농도 예측을 이유로 한다.

ABSTRACT

CS 22949--037 is one of the most metal-poor giants known ([Fe/H]$ \approx-4.0$), and it exhibits large overabundances of carbon and nitrogen (Norris et al.). Using VLT-UVES spectra of unprecedented quality, regarding resolution and S/N ratio, covering a wide wavelength range (from $λ= 350$ to 900 nm), we have determined abundances for 21 elements in this star over a wide range of atomic mass. The major new discovery is an exceptionally large oxygen enhancement, [O/Fe] $= 1.97\pm0.1$, as measured from the [OI] line at 630.0 nm. We find an enhancement of [N/Fe] of $2.56\pm 0.2$, and a milder one of [C/Fe] $= 1.17\pm$0.1, similar to those already reported in the literature. This implies $Z_{\star}=0.01 Z_{\odot}$. We also find carbon isotopic ratios $^{12}$C/$^{13}$C$ =4\pm2.0$ and $^{13}$C/$^{14}$N$ =0.03 ^{+0.035}_{-0.015}$, close to the equilibrium value of the CN cycle. Lithium is not detected. Na is strongly enhanced ([Na/Fe] $= +2.1 \pm 0.2$), while S and K are not detected. The silicon-burning elements Cr and Mn are underabundant, while Co and Zn are overabundant ([Zn/Fe]$ = +0.7$). Zn is measured for the first time in such an extremely metal-poor star. The abundances of the neutron-capture elements Sr, Y, and Ba are strongly decreasing with the atomic number of the element: [Sr/Fe] $\approx +0.3$, [Y/Fe] $\approx -0.1$, and [Ba/Fe] $\approx -0.6$. Among possible progenitors of CS 22949--037, we discuss the pair-instability supernovae. Such very massive objects indeed produce large amounts of oxygen, and have been found to be possible sources of primary nitrogen. Other scenarios are also discussed. A 30-40$M_{\odot}$ supernova, with fallback, seems the most likely progenitor for CS 22949--037.

연구 동기 및 목표

• 고해상도, 고신호대비잡음비 VLT-UVES 스펙트럼을 사용하여 매우 저금속성 별 CS 22949–037의 원소 농도를 결정하기.
• 이상한 농도 패턴의 핵합성 기원을 조사하며, 특히 산소와 질소의 극도로 높은 초과 농도의 기원을 규명하기.
• 관측된 농도가 쌍대성 불안정성 초신성 또는 영금속 또는 저금속성 핵붕괴 초신성 모델에 의해 설명될 수 있는지 테스트하기.
• 내부 혼합 과정(예: CN 순환 처리)이 별 또는 그 후보자 표면 농도에 미치는 영향 평가하기.
• 후보자 내 중성자 포획 원소 추세(Sr, Y, Ba)가 중성자 노출 역사를 어떻게 반영하는지 평가하기.

제안 방법

• 파라날 천체망원경의 VLT에서 350–900 nm 범위를 커버하는 고해상도(R ≈ 45,000) 및 고신호대비잡음비(S/N ≈ 100–200) UVES 스펙트럼 확보.
• 모델 대기 및 선량 목록 데이터를 사용하여 스펙트럼 합성 분석을 수행하여 국부 열역학적 평형(LTE) 조건에서 원소 농도를 유도하였으며, Na와 Al의 비-LTE 효과에 대한 보정을 적용함.
• 특히 C와 N에 대해 CN 순환을 통한 전환을 가정하여 별 내부 혼합 과정에 대한 보정을 적용함.
• 관측된 농도 비율을 영금속 초신성 모델의 이론적 수확량과 비교함. 특히 Heger와 Woosley의 Z35Z 모델을 중심으로 분석함.
• 이러한 저금속성 별에서 처음으로 630.0 nm의 금지선 [O I]를 사용하여 산소 농도를 고정밀도로 유도함.
• 이sov형 비율(12C/13C 및 13C/14N)을 분석하여 CNO 처리 정도를 추론하고 평형 값과 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CS 22949–037에서 극도로 높은 산소 증가([O/Fe] = 1.97 ± 0.1)의 기원은 무엇이며, 쌍대성 불안정성 초신성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 매우 낮은 금속성에서 질소가 초과 농도를 보이는 이유는 무엇이며, 내부 CNO 처리 과정은 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 원자번호에 따라 변화하는 중성자 포획 원소(Sr, Y, Ba)의 관측 추세는 표준 초신성 수확량 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 농도 패턴은 Z35Z 모델과 같은 단일 핵붕괴 초신성 모델로 재현될 수 있는가, 아니면 다중 후보자 시나리오가 필요한가?
• RQ5 특히 CN 순환을 통한 후주기 별 혼합에 의해 표면 농도가 얼마나 변화되었는가?

주요 결과

• 매우 저금속성 별에서 처음으로 630.0 nm의 [O I] 선을 측정하여 [O/Fe] = 1.97 ± 0.1을 도출하였으며, 이는 강한 산소 초과 농도를 시사한다.
• 질소는 극도로 높은 농도를 보이며 [N/Fe] = 2.56 ± 0.2이며, 12C/13C 비율은 4 ± 2로 CN 순환의 근접 평형 조건과 일치한다.
• 탄소는 약간 높은 농도를 보이며 [C/Fe] = 1.17 ± 0.1이며, 나트륨은 강하게 높은 농도를 보이며 ([Na/Fe] = +2.1 ± 0.2) 반면, 황과 칼륨은 검출되지 않았다.
• 중성자 포획 원소는 원자번호에 따라 급격히 감소하는 추세를 보이며: [Sr/Fe] ≈ +0.3, [Y/Fe] ≈ −0.1, [Ba/Fe] ≈ −0.6로, 단절된 중성자 노출을 시사한다.
• 이러한 별에서 처음으로 Zinc이 검출되었으며, [Zn/Fe] = +0.7로 쌍대성 불안정성 초신성 모델의 예측과 일치하지 않는다.
• 관측된 농도 패턴은 Heger와 Woosley의 Z35Z 영금속 핵붕괴 초신성 모델과 상당한 일치를 보이며, 30–40 M☉ 후보자에 따른 후류가 있는 모델을 지지한다.