[논문 리뷰] Overview of the lithium problem in metal-poor stars and new results on 6Li

R. Cayrel, M. Steffen외 3명|ArXiv.org|2008. 10. 23.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 3D 비국소 열역학평형(3D-NLTE) 선형형을 수소기반 별 대기 모델에 적용하여 금속성 낮은 별에서 관측된 6Li 농도를 재평가한다. 적색 날개에 나타나는 7Li 선의 6Li 신호는 주로 대류 운동에 의한 내재된 선형형 비대칭성 때문이며, 이로 인해 추정되는 6Li/7Li 비율이 약 0.04에서 약 0.02로 감소하여, 확인된 6Li 탐지 수가 9개에서 1~2개로 크게 줄어든다.

ABSTRACT

Two problems are discussed here. The first one is the 0.4 dex discrepancy between the 7Li abundance derived from the spectra of metal-poor halo stars on the one hand, and from Big Bang nucleosynthesis, based on the cosmological parameters constrained by the WMAP measurements, on the other hand. Lithium, indeed, can be depleted in the convection zone of unevolved stars. The understanding of the hydrodynamics of the crucial zone near the bottom of the convective envelope in dwarfs or turn-off stars of solar metallicity has recently made enormous progress with the inclusion of internal gravity waves. However, similar work for metal-poor stars is still lacking. Therefore it is not yet clear whether the depletion occurring in the metal-poor stars themselves is adequate to produce a 7Li plateau. The second problem pertains to the large amount of 6Li recently found in metal-poor halo stars. The convection-related asymmetry of the 7Li line could mimic the signal attributed so far to the weak blend of 6Li in the red wing of the 7Li line. Theoretical computations show that the signal generated by the asymmetry of 7Li is 2.0, 2.1, and 3.7 per cent for [Fe/H]= -3.0, -2.0, -1.0, respectively (Teff =6250 K and log g=4.0 [cgs]). In addition we re-investigate the statistical properties of the 6Li plateau and show that previous analyses were biased. Our conclusion is that the 6Li plateau can be reinterpreted in terms of intrinsic line asymmetry, without the need to invoke a contribution of 6Li. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 금속성 낮은 헬리오스피어 별에서 관측된 6Li 농도와 이론적 기대치 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 7Li 선의 적색 날개에 나타나는 명백한 6Li 신호가 대기 역학적 요인에 의한 산물일 가능성, 즉 진정한 동위원소 농도가 아닐 가능성 조사하기 위해.
• 3D 유체역학과 비- LTE 효과가 7Li 선형형을 왜곡하고 6Li 흡수를 모방하는 데 미치는 역할 평가하기 위해.
• Asplund 등 (2006) 샘플의 6Li/7Li 비율을 물리적으로 현실적인 3D-NLTE 시뮬레이션을 사용하여 재평가하기 위해.
• 관측된 6Li 플랫폼이 기이한 핵합성 메커니즘을 도입하지 않고도 내재된 선형형 비대칭성으로 설명될 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 금속성 낮은 별의 대기 모델을 수치적으로 시뮬레이션하기 위해 CO 5 BOLD 코드를 사용하여 3D 유체역학적 시뮬레이션 수행.
• 유체역학 모델의 스냅샷에 기반한 복사전달 계산을 통해 7Li 공명선의 3D-NLTE 선형형 계산.
• 비대칭적인 3D 선형형을 두 개의 대칭적인 1D 선형형으로 피팅하여 등가 동위원소 비율 6Li/7Li(이하 '비대칭성'으로 표기)로 선형형 비대칭성 정량화.
• Asplund 등 (2006) 샘플의 전체 범위를 커버하기 위해 유효 온도(Teff), 표면중력(log g), 금속성([Fe/H])를 다양하게 설정.
• 복사 에너지 교환과 선형형 형성의 정확한 모의를 위해 140×140×150 셀 격자와 6개의 파장 구간 사용.
• 예측된 비대칭성 값과 ALN06에서 관측된 6Li/7Li 비율을 비교하여 대기 역학적 기여도와 진정한 6Li 농도 기여도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속성 낮은 별 대기에서 대류 유체역학이 얼마나 선형형 비대칭성을 유도하여 6Li 신호를 모방하는가?
• RQ2 금속성 낮은 별에서 관측된 6Li/7Li 비율 플랫폼은 원시 핵합성보다 대기 역학적 요인에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 샘플 전반에서 유효 온도, 중력, 금속성에 따라 예측된 선형형 비대칭성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 3D-NLTE 효과가 7Li 선형형 해석과 유도된 6Li 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Asplund 등 (2006) 샘플에서 보고된 9개의 6Li 탐지 결과는 비대칭성 효과에 의해 크게 편향되어 있는가, 아니면 신뢰할 수 있는가?

주요 결과

• 금속성 낮은 별(Teff = 6250 K, log g = 4.0, [Fe/H] = -3.0 및 -2.0)의 계산된 선형형 비대칭성은 각각 0.020과 0.021이며, ALN06 샘플의 관측 평균 6Li/7Li 비율과 일치한다.
• [Fe/H] = -1.0일 때 비대칭성은 0.037로 증가하지만, 관측값(0.023)은 이보다 낮아, 일치하지 않거나 표본 크기가 제한되어 있음을 시사한다.
• 더 높은 중력(log g = 4.5) 조건에서는 log g = 4.0일 때보다 비대칭성이 2배 감소하여 표면중력에 매우 민감한 의존성을 보인다.
• 비진화 별 HD 19445의 경우 관측 신호는 0.002이지만, 예측된 비대칭성은 0.010이므로, 유의미한 6Li가 필요하지 않다.
• ALN06에서 관측된 명백한 6Li 플랫폼은 주로 선형형 비대칭성의 산물이며, 진정한 6Li/7Li 비율은 약 0.02 감소하여, 진정한 6Li 탐지가 가능한 별은 1~2개에 불과할 가능성이 높다.
• 본 연구는 7Li 선의 적색 날개에서 관측된 6Li 신호가 주로 유체역학적 비대칭성 때문이며, 동위원소 농도가 아니라고 결론 내리며, 확인된 6Li 탐지 수를 크게 감소시킨다.