[논문 리뷰] High-precision abundances of Sc, Mn, Cu, and Ba in solar twins. Trends of element ratios with stellar age

P. E. Nissen|2016. 06. 27.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 93인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 HARPS 스펙트럼를 사용하여 21개의 태양형 별에서 Sc, Mn, Cu, Ba의 고정밀 농도를 제시하며, 6 Gyr 미만의 별에서 [X/Fe] 비율과 별의 연령 간에 밀도 높은 선형 상관관계를 발견하였다. 결과적으로 Sc, Mn, Cu는 주로 대질량 별에서 발생하는 Type II 초신성과 약한 s-과정에 의해 생성되며, Ba는 저질량 AGB 별에 의해 풍부해지며, [Y/Mg]와 [Y/Al]은 약 1 Gyr의 정밀도로 연령 추정을 위한 강력한 화학 시계로 나타났다.

ABSTRACT

A previous study of correlations between element abundance ratios, [X/Fe], and ages of solar twin stars is extended to include Sc, Mn, Cu, and Ba. HARPS spectra with S/N > 600 are used to derive very precise (+/- 0.01 dex) differential abundances, and stellar ages with internal errors less than 1 Gyr are obtained by interpolation in the logg - Teff diagram between isochrones calculated with the Aarhus Stellar Evolution Code. For stars younger than 6 Gyr, [X/Fe] is tightly correlated with stellar age for all elements. For ages between 6 and 9 Gyr, the [X/Fe] - age correlations break down and the stars split up into two groups having respectively high and low [X/Fe] for the odd-Z elements. It is concluded that while stars in the solar neighborhood younger than about 6 Gyr were formed from interstellar gas with a smooth chemical evolution, older stars have originated from regions enriched by supernovae with different neutron excesses. Furthermore, the correlations between abundance ratios and stellar age suggest that: i) Sc is made in Type II supernovae along with the alpha-capture elements, ii) the Type II to Ia SNe yield ratio is about the same for Mn and Fe, iii) Cu is mainly made by the weak s-process in massive stars, iv) the Ba/Y yield ratio for AGB stars increases with decreasing stellar mass, v) [Y/Mg] and [Y/Al] can be used as "chemical clocks" when determining ages of solar metallicity stars.

연구 동기 및 목표

• 태양형 별에서 Sc, Mn, Cu, Ba의 원소 농도 경향을 별의 연령과 연관지어 확장하기 위해 연구한다.
• Fe 및 기타 기준 원소에 대한 농도 비율을 분석하여 이 원소들의 핵합성 기원을 조사한다.
• 관측된 농도-연령 상관관계가 오래된 별에서 매끄러운 은하 화학 진화를 반영하는지 아니면 복잡한 풍부화 역사를 반영하는지 평가한다.
• [Y/Mg]와 [Y/Al]이 태양 금속 농도를 가진 별의 연령 추정에 있어 신뢰할 수 있는 화학 시계로 기능할 수 있는지 평가한다.
• 관측된 농도 패턴을 통해 Type II 초신성의 중성자 과잉과 AGB 별의 질량에 따른 수확량이 어떻게 작용하는지 탐구한다.

제안 방법

• 신호 대 잡음비가 600 이상인 고해상도 HARPS 스펙트럼을 사용하여 약 0.01 dex의 정밀도로 차등 농도를 유도하였다.
• MARCS 모델 대기와 철선의 이완/이온화 평형을 사용하여 별 대기 파arameters를 결정하였다.
• 아레우스 별진화코드(ASTEC)의 이소클론을 사용하여 log g – T_eff 다이어그램에서 보간을 통해 별의 연령을 유도하였다.
• 농도 비율 [X/Fe]를 연령의 함수로 분석하였으며, 원소의 응축 온도(T_C)에 대한 의존성에 주목하였다.
• 선형 회귀를 통해 [X/Fe] 대 연령의 관계를 평가하였으며, 적합도 평가를 위해 감소된 카이제곱(χ²_red ≈ 1)을 사용하였다.
• Yonsei-Yale 이소클론과의 비교를 통해 ASTEC 모델의 금속 확산 영향을 고려하여 연령 척도의 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양형 별에서 [Sc/Fe], [Mn/Fe], [Cu/Fe], [Ba/Fe]의 농도 비율은 연령에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 관측된 연령에 따른 농도 경향은 6 Gyr 미만의 별에 대해 매끄러운 화학 진화 시나리오를 지지하는가?
• RQ3 오래된 별(6–9 Gyr)에서 홀수 Z 원소들(Na, Al, Sc, Cu)의 농도 패턴은 은하 디스크의 화학 풍부화 역사를 어떻게 드러내는가?
• RQ4 [Y/Mg]와 [Y/Al]은 약 1 Gyr의 정밀도로 별의 연령을 추정하는 데 신뢰할 수 있는 화학 시계로 사용될 수 있는가?
• RQ5 [Ba]와 [Y]의 AGB 별에서의 수확량은 관측된 농도 경향을 통해 어떻게 별의 질량에 따라 달라지는가?

주요 결과

• 6 Gyr 미만의 별들에서 Sc, Mn, Cu, Ba의 [X/Fe] 비율은 연령과 밀접한 선형 상관관계를 보이며, 감소된 카이제곱 값이 약 1에 가까워 높은 정밀도의 연령-농도 관계를 나타낸다.
• [Sc/Mg] 비율이 연령에 따라 매끄럽게 변화함으로써 Sc이 α-캡처 원소와 함께 Type II 초신성에서 생성된다는 것을 시사한다.
• [Mn/Fe] 비율이 연령에 따라 거의 일정함으로써 Mn의 Type Ia 초신성 대 Type II 초신성의 수확량 비율이 Fe와 유사하다는 것을 의미한다.
• [Cu/Na]의 모든 연령에서 작은 산란은 Cu가 주로 대질량 별에서 발생하는 약한 s-과정을 통해 생성된다는 가설을 지지한다.
• [Ba/Fe]의 연령 감소에 따른 증가 폭이 [Y/Fe]보다 더 급격한 것은 AGB 별에서의 Ba/Y 수확량 비율이 별의 질량 감소에 따라 증가함을 나타내며, 최근 이론 예측과 일치한다.
• [Y/Mg]와 [Y/Al] 비율은 기울기가 약 -0.04 dex Gyr⁻¹인 선형, 연령 의존적 경향을 보이며, 태양 금속 농도를 가진 별의 연령 추정을 위한 강력한 화학 시계로 확립된다.