[논문 리뷰] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) III. HE 0338-3945 and the formation of the r+s stars

K. Jonsell, P. S. Barklem외 5명|ArXiv.org|2006. 01. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 122인용 수 91

한 줄 요약

이 논문은 금속 농도가 낮은 별 HE 0338-3945([Fe/H] = -2.42)의 고해상도 스펙트로스코픽 분석을 제시하며, $r$-과정과 $s$-과정 원소인 유로프루멘(Eu), 바륨(Ba), 라니움(La), 탄소(C) 등에서 극도로 높은 과잉 농도를 확인하여, $r$+s 별이라 불리는 새로운 별의 계열을 정의한다. 비-열역학적 평형(non-LTE) 및 열적 비균일성에 기인한 불확실성에도 불구하고, 데이터는 이들 원소가 이중성 별의 질량 이행으로 공통된 기원을 가졌을 가능성을 시사하지만, $r$-과정 생성 메커니즘은 초신성 촉발 형성 또는 고중성자 밀도 $s$-과정과 같은 경쟁적 시나리오들 사이에서 명확하지 않다.

ABSTRACT

We have derived abundances of 33 elements and upper limits for 6 additional elements for the metal-poor ([Fe/H] = -2.42) turn-off star HE 0338-3945 from high-quality VLT-UVES spectra. The star is heavily enriched, by about a factor of 100 relative to iron and the Sun, in the heavy s-elements (Ba, La, ..). It is also heavily enriched in Eu, which is generally considered an r-element, and in other similar elements. It is less enriched, by about a factor of 10, in the lighter s-elements (Sr, Y and Zr). C is also strongly enhanced and, to a somewhat lesser degree, N and O. These abundance estimates are subject to severe uncertainties due to NLTE and thermal inhomogeneities which are not taken into detailed consideration. However, an interesting result, which is most probably robust in spite of these uncertainties, emerges: the abundances derived for this star are very similar to those of other stars with an overall enhancement of all elements beyond the iron peak. We have defined criteria for this class of stars, r+s stars, and discuss nine different scenarios to explain their origin. None of these explanations is found to be entirely convincing. The most plausible hypotheses involve a binary system in which the primary component goes through its giant branch and asymptotic giant branch phases and produces CNO and s-elements which are dumped onto the observed star. Whether the r-element Eu is produced by supernovae before the star was formed (perhaps triggering the formation of a low-mass binary), by a companion as it explodes as a supernova (possibly triggered by mass transfer), or whether it is possibly produced in a high-neutron-density version of the s-process is still unclear. Several suggestions are made on how to clarify this situation.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 VLT-UVES 스펙트럼을 이용하여 금속 농도가 낮은 별 HE 0338-3945의 농도 패턴을 규명한다.
• 동시 과잉 농도를 보이는 $r$-과정과 $s$-과정 원소를 특징으로 하는 새로운 별의 계열인 $r$+s 별을 식별하고 특성화한다.
• 이중성 별의 진화와 핵합성 과정에 중점을 두어 $r$+s 별의 기원에 대한 여러 천체물리적 시나리오를 평가한다.
• 비-열역학적 평형(non-LTE) 및 3차원 효과가 유로프루멘(Eu) 및 기타 핵흡착 원소의 농도 분석에 미치는 영향을 평가한다.
• r+s 별의 관측된 화학적 균일성과 공간 분포가 r-II 거성과 비교하여 어떤 의미를 갖는지 탐색한다.

제안 방법

• チリ의 파라날 천체망원경에 설치된 VLT-UVES 장비를 이용한 고해상도, 고신호대비비율 스펙트로스코피.
• 모형 대기와 선형합성 기반으로 33개 원소와 추가 6개 원소의 상한선을 분석하여 농도 분석을 수행한다.
• 농도 결정의 정확도 향상을 위해 비-열역학적 평형(corrrections) 적용 및 열적 비균일성 고려.
• [$\mathrm{Eu/Fe}$], [$\mathrm{Ba/Eu}$], [$\mathrm{Ba/Fe}$] 비율을 기반으로 별들을 $r$+s 별과 $r$-II 별로 분류.
• 관측된 농도 패턴을 스케일링된 태양계 $r$-과정 및 $s$-과정 모델과 비교.
• 이중성 질량 이행, 초신성 촉발 형성, 고중성자 밀도 $s$-과정을 포함한 9개의 천체물리적 시나리오를 평가하여 $r$+s 별 형성에 대한 기원을 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 농도가 낮은 별 HE 0338-3945의 세부 농도 패턴은 무엇이며, 다른 $r$-과정 및 $s$-과정 강화 별들과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 HE 0338-3945와 같은 $r$+s 별에서 $r$-과정과 $s$-과정 원소가 동시에 과잉 농도를 보이는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 $r$+s 별은 주로 주계열 별이지만 $r$-II 별은 모두 거성인가? 이는 질량 이행과 희석에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 비-열역학적 평형(non-LTE) 및 3차원 효과가 이러한 별들에서 유로프루멘(Eu) 및 기타 핵흡착 원소의 추정 농도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 이중성 진화, 초신성 촉발 형성, 고중성자 밀도 $s$-과정 중 어떤 천체물리적 시나리오가 관측된 화학적 균일성과 농도 패턴을 가장 잘 설명하는가?

주요 결과

• 별 HE 0338-3945는 극도로 높은 과잉 농도를 보이며, 중량 $s$-원소(Ba, La)는 약 100배 태양 농도 이상, 경량 $s$-원소(Sr, Y, Zr)는 약 10배 이상, 탄소(C), 질소(N), 산소(O)도 증가해 있다.
• 유로프루멘(Eu)은 철에 비해 약 100배 과잉 농도를 보이며, $r$-과정 기여가 뚜렷함을 시사하지만, 표준 모델에서는 $s$-과정 원소로 간주된다.
• HE 0338-3945의 농도 패턴은 다른 $r$+s 별들과 매우 유사하며, 이는 $r$-과정과 $s$-과정이 동시에 강화된 금속 농도가 낮은 별의 별도의 계열이 존재함을 뒷받침한다.
• r+s 별들 사이의 관측된 화학적 균일성은 공통 기원을 시사하며, 이는 주로 진화한 이중성 별의 질량 이행과 관련된 것으로 보인다.
• 제시된 9개의 시나리오 중 어느 것도 완전히 설득력 있는 것은 아니지만, 가장 가능성 있는 것은 주성분이 $s$-원소와 CNO를 생성하고, $r$-과정 원소는 초신성 또는 고중성자 밀도 $s$-과정에서 유래한 이중성 시스템일 가능성이 높다.
• 몇몇 $r$+s 별에서 라디얼 속도 변화가 관측되지 않아 일부 시나리오에 도전이지만, 주계열 이전에 질량 이행이 발생한 이중성 시스템과의 일관성이 유지된다.