[논문 리뷰] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) IV. Detailed abundance analysis and age dating of the strongly r-process enhanced stars CS 29491-069 and HE 1219-0312

Wolfgang Hayek, U. Wiesendahl외 9명|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 74인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 VLT/UVES 스펙트럼과 MARCS 모델 대기층을 사용하여 두 개의 강한 r-과정 강화, 매우 금속 농도가 낮은 별—CS 29491-069 및 HE 1219-0312—에 대한 상세한 농도 분석을 수행한다. 두 별의 중성자수 농도 패턴은 모두 스케일드 태양 잔여 농도와 고엔트로피 풍속(High-Entropy Wind, HEW) r-과정 모델과 잘 일치하는 것으로 나타났지만, HE 1219-0312의 경우 thorium과 중성자수 원소의 과잉 농도로 인해 연대 측정 기준이 실패하여 'actinide boost'가 가능하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We report on a detailed abundance analysis of two strongly r-process enhanced, very metal-poor stars newly discovered in the HERES project, CS 29491-069 ([Fe/H]=-2.51, [r/Fe]=+1.1) and HE 1219-0312 ([Fe/H]=-2.96, [r/Fe]=+1.5). The analysis is based on high-quality VLT/UVES spectra and MARCS model atmospheres. We detect lines of 15 heavy elements in the spectrum of CS 29491-069, and 18 in HE 1219-0312; in both cases including the Th II 4019 Å line. The heavy-element abundance patterns of these two stars are mostly well-matched to scaled solar residual abundances not formed by the s-process. We also compare the observed pattern with recent high-entropy wind (HEW) calculations, which assume core-collapse supernovae of massive stars as the astrophysical environment for the r-process, and find good agreement for most lanthanides. The abundance ratios of the lighter elements strontium, yttrium, and zirconium, which are presumably not formed by the main r-process, are reproduced well by the model. Radioactive dating for CS 29491-069 with the observed thorium and rare-earth element abundance pairs results in an average age of 9.5 Gyr, when based on solar r-process residuals, and 17.6 Gyr, when using HEW model predictions. Chronometry seems to fail in the case of HE 1219-0312, resulting in a negative age due to its high thorium abundance. HE 1219-0312 could therefore exhibit an overabundance of the heaviest elements, which is sometimes called an "actinide boost".

연구 동기 및 목표

• 최근에 발견된 두 개의 r-과정 강화, 매우 금속 농도가 낮은 별에서 중성자수 원소의 상세한 농도 패턴을 규명하기 위해.
• 극도로 r-과정 강화된 별에서 Th/Eu 연대 측정 기준의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 관측된 농도 비율을 고엔트로피 풍속(HEW) r-과정 모델에서의 이론적 r-과정 수확량과 비교하기 위해.
• 특히 제3의 r-과정 피크(acts)에서 강화된 중성자수 원소의 천체물리적 기원을 조사하기 위해.
• 다양한 원소 조합에서 유도된 연대 추정치의 불일치가 별 연대 측정의 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• CS 29491-069 및 HE 1219-0312에 대해 고해상도, 고신호대비비율 VLT/UVES 스펙트럼을 확보하였다.
• MARCS 모델 대기층을 사용하여 CS 29491-069에서 15개 원소, HE 1219-0312에서 18개 원소의 상세한 분광학적 농도 분석을 수행하였으며, Th II는 4019 Å에서 분석하였다.
• 관측된 농도 비율을 태양 잔여 농도와 고엔트로피 풍속(HEW) r-과정 모델의 이론적 수확량과 비교하였다.
• 태양 r-과정 잔여물과 HEW 모델 예측값을 기반으로 232Th(τ₁/₂ = 14.05 Gyr)와 함께 Th/Eu 및 Th/Ce 조합을 사용하여 방사성 붕괴 연대를 계산하였다.
• 특히 Sr, Y, Zr 및 랜타니드 원소에 대해 관측된 농도가 HEW 모델 예측과 얼마나 잘 일치하는지 평가하였다.
• 232Th의 붕괴(τ₁/₂ = 14.05 Gyr)를 기반으로 한 연대 측정 기준을 여러 원소 조합 간 비교하여 신뢰성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CS 29491-069 및 HE 1219-0312에서 관측된 농도 패턴이, 특히 제3의 피크(acts)에서 r-과정 예측 수확량과 일치하는가?
• RQ2 HE 1219-0312에서 Th/Eu 연대 측정 기준이 실패하여 음수 연대 추정치를 낳는 이유는 무엇인가?
• RQ3 최근의 고엔트로피 풍속(HEW) r-과정 모델이 이 별들에서 관측된 중성자수 원소의 농도 비율을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 다양한 원소 조합에서 유도된 연대 추정치의 불일치는 r-II 별에서 핵분해연대 측정의 신뢰성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 가장 무거운 r-과정 원소들(예: Th, U)의 선택적 과잉 생성은 'actinide boost'와 같은 별개의 천체물리적 환경이나 과정을 시사하는가?

주요 결과

• CS 29491-069의 농도 패턴은 대부분의 랜타니드 원소에서 스케일드 태양 잔여 농도와 HEW 모델 예측값과 잘 일치한다.
• HE 1219-0312는 thorium과 중성자수 원소의 상당한 과잉 농도를 보이며, 이로 인해 Th/Eu 조합을 사용한 연대 추정에서 음수 연대가 유도되어 'actinide boost'의 가능성을 시사한다.
• 태양 r-과정 잔여물 기반의 방사성 연대 측정으로는 CS 29491-069의 평균 연령이 9.5 Gyr로 도출되었으나, HEW 모델 예측값은 17.6 Gyr로 나타났다.
• HEW 모델은 Sr, Y, Zr의 관측 비율을 잘 재현하지만, 절대 농도는 과잉 예측하여 가능한 완전한 탈출 또는 낙하가 발생했을 가능성을 시사한다.
• HE 1219-0312에서 Pd의 농도 불일치는 완전한 탈출 또는 다양한 유형의 초신성 기여의 가능성을 더욱 뒷받침한다.
• 다양한 원소 조합에서 유도된 연대 추정치의 큰 산란은 별 연대 측정이 신뢰성 있게 작동하기 위해 다수의 농도 비율에 의존해야 한다는 것을 확인한다.