[논문 리뷰] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) XI. The highly $r$-process-enhanced star CS 29497-004

V. Hill, N. Christlieb외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 98인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 VLT/UVES 분광법과 MARCS 모델 대기에서 국소 열역학적 평형(LTE) 조건 하에서 CS 29497-004의 상세한 붕괴 빈도 분석을 제시한다. 이는 r-과정이 강하게 영향을 받은 별이며, 별의 r-과정 패턴이 태양계의 제2피크 r-과정과 일치함을 확인하였고, 우라늄(U)은 큰 불확실성을 가지고 검출되었으며, 이론적 생성 비율을 사용하여 평균 연령 12.2 ± 3.7 Gyr를 유도하였다. U/Th는 16.5 ± 6.6 Gyr를 나타내었고, 순수 r-과정 수확량과 일치하는 lead(Pb)의 잠재적 검출을 제안하였다.

ABSTRACT

We report an abundance analysis for the highly r-process-enhanced (r-II) star CS 29497-004, a very metal-poor giant with Teff = 5013K and [Fe/H]=-2.85, whose nature was initially discovered in the course of the HERES project. Our analysis is based on high signal-to-noise, high-resolution (R~75000) VLT/UVES spectra and MARCS model atmospheres under the assumption of local thermodynamic equilibrium, and obtains abundance measurements for a total of 46 elements, 31 of which are neutron-capture elements. As is the case for the other 25 r-II stars currently known, the heavy-element abundance pattern of CS 29497-004 well-matches a scaled Solar System second peak r-process-element abundance pattern. We confirm our previous detection of Th, and demonstrate that this star does not exhibit an "actinide boost". Uranium is also detected (log e(U) =-2.20+/-0.30), albeit with a large measurement error that hampers its use as a precision cosmo-chronometer. Combining the various elemental chronometer pairs that are available for this star, we derive a mean age of 12.2+/-3.7 Gyr using the theoretical production ratios from waiting-point approximation models (Kratz et al. 2007). We further explore the high-entropy wind model (Farouqi et al. 2010) production ratios arising from different neutron richness of the ejecta (Y_e), and derive an age of 13.7+/-4.4 Gyr for a best-fitting Y_e=0.447. The U/Th nuclei-chronometer is confirmed to be the most resilient to theoretical production ratios and yields an age of 16.5+:-6.6 Gyr. Lead (Pb) is also tentatively detected in CS 29497-004, at a level compatible with a scaled Solar r-process, or with the theoretical expectations for a pure r-process in this star.

연구 동기 및 목표

• 고도로 r-과정이 강화된 별 CS 29497-004의 중성자 포획 원소 농도 패턴을 규명하기 위해, [Fe/H] = -2.85인 매우 금속 농도가 낮은 거성에서 수행한다.
• 특히 토륨과 우라늄을 포함한 다수의 방사성 동위원소 시계를 사용하여 별의 연령을 평가하고, 천체화학 연령 측정법을 제약한다.
• 특정 r-과정 환경(예: 중성자별 융합)의 특징인 'actinide boost'가 존재하는지 조사한다.
• 관측된 중성자 포획 원소 패턴이 이론적 r-과정 모델과 일치하는지 테스트하며, 이는 고엔트로피 풍 모델과 다양한 중성자 농도(Ye)를 가진 모델을 포함한다.

제안 방법

• 46개 원소(31개의 중성자 포획 원소 포함)의 원소 농도를 측정하기 위해 고신호대비잡음비, 고해상도(R ~ 75,000) VLT/UVES 스펙트럼을 사용하였다.
• 국소 열역학적 평형(LTE) 조건 하에서 MARCS 모델 대기를 적용하여 스펙트럼선으로부터 원소 농도를 유도하였다.
• 중성자 포획 원소에 대한 포괄적인 라인목록을 사용하였으며, 초미세구조 파rameters와 오실레이터 강도는 여러 문헌 자료에서 취득하였다.
• 천체화학 연령 측정법은 다수의 동위원소 쌍(예: Th, U, Pa)과 기다림점 근사 모델(Kratz 등 2007) 및 고엔트로피 풍 모델(Farouqi 등 2010)의 이론적 생성 비율을 사용하였다.
• 고엔트로피 풍 모델에서 전자 비율(Ye)을 조정하여 최적의 연령에 해당하는 값을 찾기 위해 이론적 생성 비율을 변형하였다.
• 순수 r-과정에 대한 이론적 기대치와 관측된 농도를 비교하여 lead(Pb)의 잠재적 검출 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CS 29497-004의 원소 농도 패턴은 스케일된 태양계 제2피크 r-과정 패턴과 일치하는가? 이는 r-II 분류의 확인을 위한 것이다.
• RQ2 이 별은 'actinide boost'를 보이며, 핵융합이 아닌 중성자별 융합의 가능성을 시사하는가?
• RQ3 다수의 방사성 동위원소 시계를 통해 유도된 CS 29497-004의 연령는 얼마이며, 다양한 이론적 생성 모델은 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CS 29497-004에서 lead(Pb)가 검출되었는가? 그 농도는 순수 r-과정 또는 태양계 r-과정 수확량과 일치하는가?

주요 결과

• CS 29497-004의 중성자 포획 원소 농도 패턴은 스케일된 태양계 제2피크 r-과정 패턴과 일치하여, r-II 별로 분류됨을 확인하였다.
• 토륨은 확인되었고, 'actinide boost'에 대한 증거는 발견되지 않아, r-과정 기원이 중성자별 융합이 아닌 것으로 보인다.
• 우라늄은 logε(U) = -2.20 ± 0.30로 검출되었지만, 큰 불확실성으로 인해 정밀한 천체화학 연령 측정법으로서의 활용이 제한된다.
• 기다림점 근사 모델의 이론적 생성 비율을 사용하여 CS 29497-004의 평균 연령는 12.2 ± 3.7 Gyr로 유도되었다.
• Ye = 0.447인 고엔트로피 풍 모델을 사용하여 유도된 연령는 13.7 ± 4.4 Gyr였으며, 우주의 나이 범위 하한과 일치하였다.
• U/Th 핵 시계는 가장 신뢰할 수 있는 연령 추정치인 16.5 ± 6.6 Gyr를 제공하였으며, 이는 이 별이 알려진 가장 오래된 천체 중 하나임을 시사한다.
• Lead(Pb)는 스케일된 태양계 r-과정과 순수 r-과정 이론 기대치 양쪽 모두와 일치하는 수준에서 잠재적으로 검출되었다.