[논문 리뷰] Superbubbles as the source of 6Li, Be and B in the early Galaxy

E. Parizot, L. O’C. Drury|arXiv (Cornell University)|1999. 06. 17.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초초신성 반복 폭발로 인해 형성된 초초신성 버블(superbubbles)이 초기 은하 허브 별들에서 관측된 6Li, Be, B 농도를 설명할 수 있다고 제안한다. 초초신성 버블 내에서 입자 가속을 모델링한 결과, 고에너지 입자들이 파편화 반응을 통해 이러한 경량 원소를 생성하며, SNR 스펙트럼이 불완전한 혼합 또는 선택적 가속을 통해 관측 결과와 조율되며, Be/B 대비 Fe/H에서 단조로운 증가가 아니라 희석선(dilution-line) 행동을 예측한다.

ABSTRACT

We investigate the spallative production of the light elements, Li, Be and B (LiBeB), associated with the evolution of a superbubble (SB) blown by repeated SNe in an OB association. It is shown that if about ten percent of the SN energy can power the acceleration of particles from the material inside the SB, the observed abundances of LiBeB in halo stars, as a function of O, can be explained in a fully consistent way over several decades of metallicity. In this model, the energetic particles (EPs) reflect the SB material, which is a mixing of the ejecta of previous SNe and of the swept-up ISM gas evaporated off the shell. We investigated two different energy spectra for the EPs: the standard cosmic ray source spectrum, or `SNR spectrum', and a specific `SB spectrum', as results from the SB acceleration mechanism of Bykov & Fleishman (1992). While the latter spectrum is more efficient in producing LiBeB, the SNR spectrum can be reconciled with the observational data if an imperfect mixing of the SN ejecta with the rest of the SB material and/or a selective acceleration is invoked (enhancing the C and O abundance amongst the EPs by a factor of ~ 6). One of the main consequences of our model is that the observed linear growth of Be and B abundances as a function of Fe/H expresses a dilution line rather than a continuous, monotonic increase of the metallicity. We propose an observational test of this feature. We also show that the recent 6Li observations in halo stars fit equally well in the framework of the SB model. Finally, we conjecture the existence of two sets of low-metallicity stars, differing in their Be/Fe or B/O abundance ratios, resulting from a `bimodal' LiBeB production in the Galaxy, namely from correlated (in SBs) or isolated SN explosions.

연구 동기 및 목표

• 금속 농도가 낮은 허브 별에서 관측된 6Li, Be, B 농도 패턴을 설명하기 위해.
• 관측된 리튬, 베릴륨, 볼륨 농도와 표준 우주선 파편화 모델 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 초초신성 버블이 초기 은하에서 경량 원소 생성의 주요 장소가 될 수 있는지 조사하기 위해.
• 최근 허브 별에서의 6Li 측정 결과와 초초신성 버블 모델의 일관성을 시험하기 위해.
• 초초신성 버블 내에서 연관된(상호의존적인) 초신성와 고립된 초신성에 의한 이중성(LiBeB 생성) 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• OB 연합에서 반복 초신성 폭발로 형성된 초초신성 버블의 진화를 모델링하기 위해.
• 초초신성 버블 내에서 입자 가속을 시뮬레이션하며, 초신성 에너지의 10%가 입자 가속에 기여한다고 가정하기 위해.
• 두 가지 입자 에너지 스펙트럼 사용: 표준 SNR(우주선) 스펙트럼과 Bykov & Fleishman (1992)에서 유도한 특수한 'SB 스펙트럼'.
• 초초신성 잔여물과 끌려온 은하간성간성가스(ISM) 기체가 혼합된 초초신성 버블 내부에서 가속된 입자 간의 파편화 반응을 추적하기 위해.
• 초초신성 버블 껍질에서 ISM 기체가 증발하고 초신성 잔여물과 혼합되는 것을 고려하기 위해.
• 모델 예측을 산소 농도와 철 농도에 따라 허브 별에서 관측된 리튬, 베릴륨, 볼륨 농도와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 농도가 여러 개의 디아데카드(다섯 개의 금속 농도 범위)에 걸쳐 금속 농도가 낮은 허브 별에서 관측된 6Li, Be, B 농도 경향을 초초신성 버블이 설명할 수 있는가?
• RQ2 Bykov & Fleishman (1992)의 'SB 스펙트럼'이 표준 SNR 스펙트럼보다 리튬, 베릴륨, 볼륨 생성에 더 효율적인가?
• RQ3 불완전한 혼합 또는 선택적 가속을 고려할 경우, 표준 SNR 스펙트럼도 여전히 관측 결과와 일치하는가?
• RQ4 Fe/H 대비 Be와 B의 관측된 선형 증가 경향이 연속적인 금속 농도 상승을 반영하는가, 아니면 희석 과정을 반영하는가?
• RQ5 다른 생성 메커니즘으로 인해 서로 다른 Be/Fe 또는 B/O 비율을 보이는 저금속성 별의 이중성(population)에 대한 증거가 있는가?

주요 결과

• 초초신성 버블에서 초신성 에너지의 10%가 입자 가속에 기여할 경우, 다양한 금속 농도 범위에서 허브 별의 관측된 리튬, 베릴륨, 볼륨 농도를 성공적으로 재현한다.
• Bykov & Fleishman (1992)에서 유도한 'SB 스펙트럼'은 표준 SNR 스펙트럼보다 리튬, 베릴륨, 볼륨 생성에 더 효율적이다.
• 불완전한 혼합 또는 선택적 가속(고에너지 입자에서 탄소와 산소 농도를 약 6배로 증가)을 고려할 경우, 표준 SNR 스펙트럼도 여전히 관측 결과와 일치한다.
• Fe/H 대비 Be와 B의 관측된 선형 증가 경향은 연속적인 단조로운 증가가 아니라 희석선(dilution-line)으로 해석되며, 이는 시험 가능한 예측을 제공한다.
• 최근 허브 별에서의 6Li 관측 결과는 초초신성 버블 모델에 의해 동일하게 잘 설명된다.
• 모델은 저금속성 별의 이중성 기원을 시사하며, 리튬, 베릴륨, 볼륨 생성이 초초신성 버블 내에서 이루어졌는지 고립된 초신성에서 이루어졌는지에 따라 별도의 Be/Fe 또는 B/O 비율이 존재할 수 있다.