[논문 리뷰] Silicon and Strontium abundances of very metal-poor stars determined from near-infrared spectra

Wako Aoki, Timothy C. Beers외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 41인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 후지모토 망원경의 IRD 장치를 통해 취득한 고해상도 근적외선 스펙트럼을 이용하여 여섯 개인 매우 금속성도가 낮은 별들에서 실리콘과 스트론티움의 함량을 측정한다. 26개 선량에서 유의미한 Si 함량을 보고하며, 모든 별에서 [Si/Fe] ≈ +0.5를 관측하였고, 한 명의 탄소이환 별을 제외한 모든 별에서 [Mg/Si] 비율이 일관되게 유지되었으며, 네 별에 대해 Sr 함량을 측정하였고, 이 중 두 별은 처음으로 측정된 것이다. 근적외선과 가시광선 결과 간에 초보적인 일관성이 관측되었다.

ABSTRACT

Silicon and Strontium are key elements to explore the nucleosynthesis and chemical evolution of the Galaxy by measurements of very metal-poor stars. There are, however, only a few useful spectral lines of these elements in the optical range that are measurable for such low-metallicity stars. Here we report on abundances of these two elements determined from near-infrared high-resolution spectra obtained with the Subaru Telescope Infrared Doppler instrument (IRD). Si abundances are determined for as many as 26 Si lines for six very and extremely metal-poor stars (-4.0<[Fe/H]<-1.5), which significantly improves the reliability of the abundance measurements. All six stars, including three carbon-enhanced objects, show over-abundances of Si ([Si/Fe]~+0.5). Two stars with [Fe/H]~-1.5 have relatively small over-abundances. The [Mg/Si] ratios agree with the solar value, except for one metal-poor star with carbon excess. Strontium abundances are determined from the triplet lines for four stars, including two for the first time. The consistency of the Sr abundances determined from near-infrared and optical spectra require further examination from additional observations.

연구 동기 및 목표

• 근적외선 스펙트럼 선을 활용하여 매우 금속성도가 낮은(VMP) 별에서 실리콘 함량 측정의 신뢰도를 향상시키기 위해.
• 특히 가시광선 선이 너무 강하거나 이용 불가능한 경우를 고려하여, 근적외선 선을 이용해 VMP 별에서 스트론티움 함량을 결정하기 위해.
• 근적외선과 가시광선 스펙트럼에서 유도된 Sr 함량 간 일관성을 평가하기 위해.
• 고정밀 함량 비율을 이용해 초기 은하 화학적 진화 과정에서 Si와 Sr의 핵합성 기원을 조사하기 위해.
• 초기 은하의 초신성 원천 질량과 은하 확산 과정을 탐색하기 위해 [Mg/Si] 비율을 활용하기 위해.

제안 방법

• 금속성도가 낮은 별([Fe/H] < −1.5) 여섯 곳에 대해 후지모토 망원경의 근적외선 도플러(IRI) 장치를 이용해 고해상도 근적외선 스펙트럼을 확보하였다.
• 1000–1700 nm 범위 내에서 중간 정도에서 강한 강도를 보이는 선들에 초점을 맞춰 26개 Si I 선과 12개 Sr II 선의 등가폭을 측정하였다.
• 합성 스펙트럼을 사용하여 원소 함량을 유도하기 위해 스펙트럼 합성 분석을 수행하였으며, 대기 파rameter(Teff, log g, [Fe/H], vturb)는 문헌 자료를 기반으로 하거나 본 연구에서 업데이트하였다.
• 태양 기준값을 사용하여 함량을 校정하였으며, log ε⊙(Si) = 7.51 및 log ε⊙(Sr) = 2.87을 사용하였다.
• 이전의 가시광선 측정 결과와 비교하여 근적외선 결과의 일관성과 불확도 추정치 향상을 평가하였다.
• 오차 전파 및 선 간 산란을 이용하여 함량 불확도를 추정하였으며, 각 별에 대해 N 및 σN−1/2 값을 보고하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근적외선 스펙트로스코피는 가시광선 스펙트로스코피보다 VMP 별에서 실리콘 함량 측정의 정확도와 신뢰도를 더 높일 수 있는가?
• RQ2 여섯 VMP 별에서의 [Si/Fe] 및 [Mg/Si] 함량 비율은 무엇이며, 태양 값과 이전 연구 결과와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 금속성도가 높거나 Sr 과잉이 있는 별들에서는 근적외선 삼중선을 이용해 Sr 함량을 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ4 동일한 별들에 대해 근적외선과 가시광선 스펙트럼에서 유도된 Sr 함량은 얼마나 일관되는가?
• RQ5 Si와 Sr 함량 패턴은 초기 은하에서의 핵합성 과정에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• 실리콘 함량은 여섯 VMP 별에서 26개 개별 선을 기반으로 측정되었으며, 이는 이전 연구에서 두 개의 가시광선 선에 의존한 것보다 측정의 신뢰도가 크게 향상된 것이다.
• 세 명의 탄소이환 별을 포함한 여섯 별 모두에서 [Si/Fe] ≈ +0.5의 과잉 함량을 보이며, 이는 대량 항성 또는 중심붕괴 초신성으로 인한 일관된 확산을 시사한다.
• 한 별을 제외한 모든 별에서 [Mg/Si] 비율은 태양 값과 일치하지만, J2217+2104라는 탄소이환 별에서는 [Mg/Si] = 1.46로 나타나 핵합성 수확물의 가능성을 벗어나는 흔적을 보이며, 이는 핵합성 수확물의 이질성을 시사한다.
• 네 별에 대해 근적외선 삼중선을 이용해 Sr 함량을 유도하였으며, 이 중 HD 4306과 HD 25329는 본 연구에서 처음으로 Sr 함량이 측정된 별이다.
• 근적외선과 가시광선 스펙트럼에서 유도된 Sr 함량은 초보적으로 일관성이 관측되었지만, 이 일치성의 확인을 위해 추가 관측이 필요하다.
• Si의 평균 함량 불확도는 σ ≈ 0.04–0.13 dex이며, 특히 44개의 측정 가능한 선을 확보한 HD 201626에서는 최저 불확도(0.019 dex)를 기록하였다.