[논문 리뷰] Testing the Primary Origin of Be and B in the Early Galaxy

E. Vangioni–Flam, R. Ramaty외 2명|arXiv (Cornell University)|1998. 06. 05.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초기 은하에서 베릴륨(Be)과 볼로늄(B)이 주로 질량 60 M☉ 이상의 초신성(SNeII)에서 발생하는지, 아니면 모든 타입 II 초신성(M > 8 M☉)에서 발생하는지 테스트한다. 이론적으로, Be/Fe 비율의 진화 방식이 두 시나리오에 따라 다를 것으로 예측한다: 모든 SNeII가 기여하면 비율이 일정하고, 가장 질량이 큰 별들만 기여하면 매우 낮은 금속성에서 비율이 증가한다. 주요 결과는 [Fe/H] ≤ -3에서 고정밀 관측이 이 두 모델을 구분할 수 있으며, 이는 Be/B 농도의 가능성 있는 평탄한 평탄함을 설명하기 위해 비균질한 초기 우주의 핵합성 이론을 도입할 필요가 없을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Two types of models have been proposed to explain the linear rise of the Be and B abundances as a function of iron observed in metal poor halo stars. In both cases, this linearity indicates that freshly synthesized C and O are accelerated by Type II supernovae and subsequently fragmented into Be and B. One mechanism advocates shock acceleration in the gaseous phase of superbubbles excavated by collective SNII explosions. Because of their short lifetimes, only the most massive stars (with an initial mass greater than 60\msun) do not drift out of superbubbles, and participate in BeB production. The second mechanism is based on the acceleration of the debris of grains formed in the ejecta of all SNIIs (originating from stars with initial mass greater than 8\msun). Here again, fresh C and O are sped up to cosmic ray energies by shocks. We propose a possible test to discriminate between the two scenarios. If supernovae of all masses are involved in BeB production, the Be/Fe ratio is constant, since both elements are produced in the same events. Alternatively, when only the most massive stars are involved in Be production, Be/Fe is enhanced at very early times because of the shorter lifetimes of these stars. This predicted difference in the behavior of Be/Fe could be tested by high quality observations at [Fe/H] $\lsim -3$. We also note that the solution invoking only the most massive supernovae mimics a flat evolution of both Be/H and B/H as a function of Fe/H at low metallicity, and could thus resemble a "plateau" for these elements despite a lack of a primordial Big Bang nucleosynthesis origin. Consequently, there may be no need to invoke inhomogeneous Big Bang models to explain the initial production of BeB should a plateau be discovered.

연구 동기 및 목표

• 금속 빈도가 낮은 헬로 스타에서 Be와 B가 초거대버블 내에서 C와 O의 충격 가속에 의해 기인하는지, 아니면 SNeII의 방사물질 내 입자 잔여물에 의해 기인하는지 테스트하기.
• 금속 빈도가 낮은 별에서 Be와 B의 농도가 철 농도와 선형적으로 증가하는 데 대한 애매함을 해결하기.
• 낮은 금속성에서 두 경쟁적 생성 메커니즘을 구분할 수 있는 관측 가능한 기준—Be/Fe 비율의 진화—을 제안하기.
• 낮은 금속성에서 Be/H 및 B/H 농도의 평탄한 평탄함이 비균질한 초기 우주의 핵합성 이론을 도입하지 않고도 주기원에 의해 발생할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 두 시나리오 하에서 Be/Fe 비율을 모델링: (1) Be 생성에 가장 질량이 큰 SNeII(M > 60 M☉)만 기여, (2) 모든 SNeII(M > 8 M☉)가 기여.
• 고질량 별의 차별적 수명을 사용하여, 초기 은하 진화에서 Be를 생성하는 데는 오직 가장 질량이 큰 SNeII만 기여할 것임을 예측.
• Be/Fe 비율의 진화를 [Fe/H]의 함수로 계산하여, 고질량 SNeII만 기여할 경우 [Fe/H] ≤ -3에서 비율이 증가함을 보여줌.
• 예측된 Be/Fe 행동을 관측 데이터와 비교하여 두 모델을 테스트.
• 낮은 금속성에서 Be/B 농도의 '평탄한 평탄함'이 비균질한 초기 우주의 핵합성 이론을 도입하지 않고도 주기원에 의해 설명될 수 있는지 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Be/Fe 비율이 [Fe/H] ≤ -3에서 가장 질량이 큰 SNeII만 기여하는지, 아니면 모든 SNeII가 기여하는지 구분할 수 있는가?
• RQ2 낮은 금속성에서 Be/H 및 B/H 농도의 평탄한 평탄함이 비균질한 초기 우주의 핵합성 이론을 도입하지 않고도 주기원에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 금속 빈도가 낮은 별에서 Be와 B의 철 농도와 선형적으로 증가하는 관측 결과는 초거대버블 내 충격 가속에 의해 일어나는지, 아니면 입자 잔여물의 가속에 의해 일어나는지 일치하는가?
• RQ4 고질량 별의 차별적 수명은 초기 은하에서 Be와 B 생성 시점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 가장 질량이 큰 SNeII만 Be를 생성하는 시나리오를 확인하거나 배제할 수 있는 Be/Fe 비율의 관측적 징후는 무엇인가?

주요 결과

• 가장 질량이 큰 SNeII(M > 60 M☉)만 Be를 생성하는 경우, 그들의 짧은 수명으로 인해 매우 낮은 금속성([Fe/H] ≤ -3)에서 Be/Fe 비율이 증가한다.
• 모든 SNeII(M > 8 M☉)가 Be 생성에 기여하는 경우, Be/Fe 비율은 금속성에 관계없이 약간의 변화 없이 유지된다.
• Be/Fe 비율의 진화는 두 가지 Be 생성 메커니즘을 명확히 구분할 수 있는 관측적 테스트를 제공한다.
• 가장 질량이 큰 SNeII만 기여하는 시나리오는, 초기 핵합성 없이도 Be/H 및 B/H 농도의 평탄한 평탄함을 모방할 수 있다.
• Be가 주로 고질량 SNeII에 의해 생성된다면, 낮은 금속성에서 Be/B 농도의 평탄한 평탄함이 비균질한 초기 우주의 핵합성 이론을 도입하지 않아도 설명될 수 있다.