[논문 리뷰] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) II. Spectroscopic analysis of the survey sample

P. S. Barklem, N. Christlieb외 8명|ArXiv.org|2005. 05. 03.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 88인용 수 260

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 VLT/UVES 스퍼트너 스펙트럼(S/N ~54, R~20,000)을 이용해 HERES 조사에서 확보한 253개의 금속 빈도가 낮은 헬로 스타에 대해 스펙트로스코픽 분석을 수행한다. 22개 원소에 대해 중간 정밀도의 원소 농도를 유도하고, [Fe/H] = -2.81 근처에 집중된 8개의 r-II 항성들을 확인하며, 저금속도에서 중성자 포획 원소에 대한 宇宙적 산란(cosmic scatter)을 드러낸다. 특히 C, Sr, Y, Ba, Eu 및 가능성이 있는 Zr에 대해 두드러진다.

ABSTRACT

We present the results of analysis of ``snapshot'' spectra of 253 metal-poor halo stars -3.8 < [Fe/H] < -1.5 obtained in the HERES survey. The spectra are analysed using an automated line profile analysis method based on the Spectroscopy Made Easy codes of Valenti & Piskunov. Elemental abundances of moderate precision have been obtained for 22 elements, C, Mg, Al, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sr, Y, Zr, Ba, La, Ce, Nd, Sm, and Eu, where detectable. Among the sample of 253 stars, we find 8 r-II stars and 35 r-I stars. We also find three stars with strong enhancements of Eu which are s-process rich. A significant number of new very metal-poor stars are confirmed: 49 stars with [Fe/H] < -3 and 181 stars with -3 < [Fe/H] < -2. We find one star with [Fe/H] < -3.5. We find the scatter in the abundance ratios of Mg, Ca, Sc, Ti, Cr, Fe, Co, and Ni, with respect to Fe and Mg, to be similar to the estimated relative errors and thus the cosmic scatter to be small, perhaps even non-existent. The elements C, Sr, Y, Ba and Eu, and perhaps Zr, show scatter at [Fe/H] < -2.5 significantly larger than can be explained from the errors in the analysis, implying scatter which is cosmic in origin. Significant scatter is observed in abundance ratios between light and heavy neutron-capture elements at low metallicity and low levels of r-process enrichment. (*** abridged ***)

연구 동기 및 목표

• HERES 조사에서 확보한 대규모 금속 빈도가 낮은 헬로 항성의 균일한 스펙트로스코픽 분석을 수행하여 r-과정과 s-과정의 증착을 연구한다.
• 저에서 중간 수준의 신호 대 잡음비 스퍼트너 스펙트럼을 자동 분석하여 중간 정밀도의 원소 농도를 결정한다.
• 특히 중성자 포획 원소에 대해, 금속 빈도가 낮은 항성에서 농도 비율의 분포와 산란을 조사하여 초기 은하의 핵합성과 항성 진화를 탐구한다.
• r-과정 강화 항성, 특히 r-II 및 r-I 유형과 Eu가 강화된 s-과정 풍부 항성을 식별하고 특성화한다.
• 관측된 산란이 분석 오차와 어떻게 다른지 비교하여 농도 비율의 宇宙적 산란의 중요성을 평가한다.

제안 방법

• Valenti & Piskunov (1996)의 기반으로 한 자동 선형형태 분석 소프트웨어인 Spectroscopy Made Easy (SME) 코드를 사용하여 합성 스펙트럼을 기반으로 별의 대기 파rameters와 원소 농도를 유도한다.
• 고해상도(R ~ 20,000)의 VLT/UVES 스퍼트너 스펙트럼을 분석하였으며, 3760–4980 Å 범위를 커버하고 평균적으로 S/N ~54(범위 17–308)의 신호 대 잡음비를 가짐.
• 모델 대기 및 합성 스펙트럼의 격자망을 사용하여 관측된 선형형태에 적합시켜, 유효 온도, 표면 중력도, 미세 turbulent 속도 및 원소 농도를 결정한다.
• 다양한 원천(예: VALD, SSK04, BGHL81)의 원자 데이터를 사용하며, 혼합 또는 탄소 강화 항성에서 강한 CH 특성에 영향을 받는 선은 제외한다.
• 오차 전파를 계산하고 관측된 산란과 추정 오차를 비교하여 측정 노이즈와 구별된 진정한 宇宙적 산란을 식별한다.
• Fe 및 다른 원소에 대한 Eu 및 기타 r-과정 원소 농도에 기반해 항성을 r-II 또는 r-I로 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 빈도가 낮은 항성에서 r-과정 강화 항성의 분포는 어떻게 되며, 알려진 r-과정 표준과 비교할 때 농도 패턴은 어떻게 다를까?
• RQ2 α-요소(Mg, Ca, Ti) 및 철계 원소(Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni)의 관측된 농도 비율 산란은 측정 오차에 기인한 것인지, 아니면 본질적인 宇宙적 산란인지 어느 정도일까?
• RQ3 중성자 포획 원소 농도 비율(Sr, Y, Zr, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu 등)의 산란은 금속 빈도와 r-과정 강화 수준에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 표본 중 얼마나 많은 항성이 매우 금속 빈도가 낮은 항성([Fe/H] < -3)이며, 극도로 r-과정 강화된 항성(r-II 항성)은 얼마나 되며, 그들의 주요 농도 특성은 무엇인가?
• RQ5 r-과정 강화되지 않은 강한 Eu 강화 항성이 존재하는가? 이는 s-과정 지배 또는 이중성 오염을 시사하는가?

주요 결과

• 253개 항성 중 8개가 r-II 항성으로 분류되었으며, [Fe/H] = -2.81 근처에 집중되어 있고 산란이 매우 작아 단지 0.16 dex에 불과하여 강력한 r-과정 패턴을 나타낸다.
• r-I 항성들은 표본의 전체 금속 빈도 범위인 [Fe/H] = -3.8에서 -1.5까지 퍼져 있으며, 뚜렷한 군집화가 없다.
• 연구는 [Fe/H] < -3인 항성 49개와 -3 < [Fe/H] < -2인 항성 181개를 확인하였으며, [Fe/H] < -3.5인 항성 1개도 포함하여 초금속 빈도가 낮은 항성의 표본을 크게 확장하였다.
• Fe 및 Mg에 대한 Mg, Ca, Sc, Ti, Cr, Fe, Co, Ni의 농도 비율 산란은 분석 오차와 일치하여 이들 원소에 대해 우주적 산란이 최소이거나 존재하지 않음을 시사한다.
• [Fe/H] ≤ -2.5에서 C, Sr, Y, Ba, Eu 및 가능성이 있는 Zr의 농도 비율 산란은 측정 오차를 초월하여 천체물리학적 기원의 본질적 宇宙적 산란을 나타낸다.
• 많은 수의 항성이 Eu 및 s-과정 원소에서 강한 강화를 보이며, s-과정 풍부하거나 이중성 오염된 시스템임을 시사하며, 이 중 3개의 항성이 확인되었다.