[논문 리뷰] Mono-enriched stars and Galactic chemical evolution -- Possible biases in observations and theory

C. J. Hansen, Andreas Koch외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 138인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 14개의 금속 빈도가 낮은 별에 대해 PEPSI 분광법을 사용하여 고정밀도 3차원 비- LTE 보정을 거친 원소 농도 패턴을 제시하여 최초의 별과 은하화학적 진화의 성격을 재평가한다. 연구 결과, BD+09_2190는 19.2 M⊙의 1세대 별이 폭발한 1.5 foe 에너지로 기인한 진정한 제2세대 단일풍부 별로 확인되었으며, 3차원 및 비-LTE 효과를 忽시할 경우 유도된 원형 별의 질량과 에너지에 심각한 편향이 발생함을 시사한다.

ABSTRACT

A long sought after goal using chemical abundance patterns derived from metal-poor stars is to understand the Galactic chemical evolution (GCE) and to pin down the nature of the first stars (Pop III). Here, we use a sample of 14 metal-poor stars observed with the high-resolution spectrograph PEPSI at the LBT to derive abundances of 32 elements (34 including limits). We present well-sampled abundance patterns for all stars obtained using local thermodynamic equilibrium (LTE) radiative transfer codes and 1D hydrostatic model atmospheres. It is currently well known that the assumptions of 1D and LTE may hide several issues, thereby introducing biases in our interpretation as to the nature of the first stars and the GCE. Hence, we use non-LTE (NLTE) and correct the abundances using 3D model atmospheres to present a physically more reliable pattern. In order to infer the nature of the first stars, we compare unevolved, cool stars, enriched by a single event (`mono-enriched'), with a set of yield predictions to pin down the mass and energy of the Pop III progenitor. To date, only few bona fide second generation mono-enriched stars are known. A simple x^2-fit may bias our inferred mass and energy just as much as the simple 1D LTE abundance pattern, and we thus carried out our study with an improved fitting technique considering dilution and mixing. Our sample presents Carbon Enhanced Metal-Poor (CEMP) stars, some of which are promising true second generation (mono-enriched) stars. The unevolved, dwarf BD+09_2190 shows a mono-enriched signature which, combined with kinematical data, indicates that it moves in the outer halo and likely has been accreted onto the Milky Way early on. The Pop III progenitor was likely of 25.5M and 0.6 10^51erg (foe)/19.2M and 1.5foe in LTE/NLTE. Finally, we explore the predominant donor and formation site of the rapid and slow neutron-capture elements. Abridged

연구 동기 및 목표

• 단일풍부 별에서 유도된 1세대 별의 기원 질량과 폭발 에너지 추정에 있어 1차원 LTE 가정이 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 3차원 및 비-LTE 보정이 은하화학적 진화 해석에 있어 농도 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 제약된 혼합 모델을 사용하여 CEMP 별에 대한 단일풍부 가설을 검증하기 위해.
• 운동학적 및 화학적 자료를 활용하여 금속 빈도가 낮은 별에서 s-과정 및 r-과정 원소의 주요 기원을 규명하기 위해.
• 혼합 제약 조건을 통합한 피팅 및 다차원 모델 대류층을 포함시켜 수확량 비교의 물리적 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 대형 이중 망원경을 사용하여 고해상도 PEPSI 분광법을 적용하여 14개의 금속 빈도가 낮은 별에서 32개 원소(34개는 상한선 포함)의 농도를 유도하였다.
• 기준으로 1차원 LTE 복사전달과 평면 평행 모델 대류층을 사용한 후, 고급 원자 데이터를 활용하여 3차원 유동 및 비-LTE 효과를 보정하였다.
• 제약된 혼합 피팅 기법을 도입하여 제2세대 별의 혼합 및 희석을 고려하여 질량 및 에너지 추정치를 향상시켰다.
• 물리적 제약 조건을 포함한 χ² 최적화 피팅을 사용하여 관측된 농도 패턴을 1세대 별 및 AGB 별의 이론적 수확량 예측과 비교하였다.
• Gaia 및 도플러 속도 자료를 활용한 운동학적 데이터와 화학 패턴을 결합하여 은하의 흡수 역사 및 궤도 기원을 추적하였다.
• 3차원 및 비-LTE 보정에서 C, O, Fe를 핵심 추적자로 사용하여 기존 1차원 LTE 분석에서 발생하는 체계적 편향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일풍부 별에서 3차원 및 비-LTE 보정이 1세대 별 초신성의 유도된 질량과 폭발 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 제약이 없는 대비로 제약된 혼합 피팅 방법이 1세대 별의 질량 함수에 유도된 결과에 얼마나 큰 편향을 유도하는가?
• RQ3 표본 내에서 진정한 제2세대 단일풍부 별은 어떤 별이며, 그 기원은 무엇인가?
• RQ4 TYC5481-00786-1과 같은 금속 빈도가 낮은 CEMP-s 별에서 s-과정 원소의 주요 기여자는 무엇인가?
• RQ5 BD-10_3742와 같은 별에서 r-과정 기여의 성격은 무엇이며, '금속 빈도가 낮은 태양'(HD20)과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• BD+09_2190는 초기에 은하계에 흡수된 것으로 보이는 운동학적 신호를 지닌 확인된 진정한 제2세대 단일풍부 별이다.
• LTE 분석에서는 BD+09_2190의 1세대 기원 별이 25.5 M⊙, 0.6 foe로 추정되었지만, 비-LTE 분석에서는 질량은 19.2 M⊙로 감소하고 에너지는 1.5 foe로 증가하였다.
• 3차원 및 비-LTE 보정은 특히 C, O, Fe의 농도 패턴에 중대한 영향을 미치며, 1차원 LTE 모델이 체계적 편향을 유도한다는 것을 입증한다.
• 2MASS J0023은 제안된 수확량 모델 하에서 단일풍부 가설을 지지하지 않아 진정한 제2세대 별로 간주되지 않는다.
• TYC5481-00786-1은 유망한 CEMP-s 패턴을 보이며, 중간 질량의 금속 농도가 높은 AGB 별에 의한 풍부화를 시사한다.
• BD-10_3742는 거의 순수한 r-과정 패턴을 보이며, 기준 별 HD20과 밀도적으로 유사하여 그가 깔끔한 r-과정 추적자임을 확인한다.