[论文解读] Atomic diffusion in metal-poor stars: II. Predictions for the Spite plateau

M. Salaris, Achim Weiß|ArXiv.org|Apr 25, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 24被引用 33

一句话总结

本文表明，若最金属贫乏的晕星年龄为13.5–14 Gyr，则包含完整原子扩散的恒星模型可以重现观测到的金属贫乏恒星中的锂平台。该模型预测原始锂丰度约为标准值的二分之一，与高宇宙重子密度和低氘含量一致，挑战了长期以来认为平台的存在要求抑制扩散的假设。

ABSTRACT

We have computed a grid of up-to-date stellar evolutionary models including atomic diffusion, in order to study the evolution with time of the surface Li abundance in low-mass metal-poor stars. We discuss in detail the dependence of the surface Li evolution on the initial metallicity and stellar mass, and compare the abundances obtained from our models with the available Li measurements in Pop II stars. While it is widely accepted that the existence of the Spite Li-plateau for these stars is a strong evidence that diffusion is inhibited, we show that, when taking into account observational errors, uncertainties in the Li abundance determinations, in the effective temperature scale, and in particular the size of the observed samples of stars, the Spite plateau and the Li abundances in subgiant branch stars can be reproduced also by models including fully efficient diffusion, provided that the most metal-poor field halo objects are between 13.5 and 14 Gyr old. We provide the value of the minimum number of plateau stars to observe, for discriminating between efficient or inhibited diffusion. From our models with diffusion we derive that the average Li abundance along the Spite plateau is about a factor of 2 lower than the primordial one. As a consequence, the derived primordial Li abundance is consistent with a high helium and low deuterium Big Bang Nucleosynthesis; this implies a high cosmological baryon density as inferred from the analyses of the cosmic microwave background.

研究动机与目标

• 基于包含原子扩散的更新恒星模型，重新评估金属贫乏恒星中斯匹特锂平台的解释。
• 在当前观测不确定性的前提下，评估完全高效的扩散模型是否能重现观测到的平台。
• 确定区分高效扩散与受抑制扩散所需的最少平台恒星数量。
• 探讨包含扩散的模型对原始锂丰度和宇宙重子密度的含义。

提出的方法

• 使用更新的状态方程、不透明度和核反应速率，计算了一组低质量、金属贫乏恒星演化模型，其中包含原子扩散。
• 沿不同初始金属丰度和恒星质量的等龄线，追踪了表面锂丰度随有效温度和年龄的变化。
• 将模型预测与观测到的第二星族恒星的锂丰度进行比较，考虑了观测误差、T_eff 标度的不确定性以及样本大小的限制。
• 利用观测到的平台宽度和丰度水平，推断区分扩散效率与抑制所需的最少恒星数量。
• 评估了初始氦丰度和年龄对锂耗尽的影响，表明Y = 0.24的初始丰度会导致约1 Gyr的年龄偏移。
• 评估了由于辐射悬浮可能导致的扩散速度高估，以及质量损失的潜在影响，结论是这些因素可能高估耗尽程度，但不会使主要结果失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前观测不确定性下，包含完全高效原子扩散的模型能否重现金属贫乏恒星中的斯匹特锂平台？
• RQ2 区分高效扩散与受抑制扩散所需的最少观测平台恒星数量是多少？
• RQ3 包含原子扩散后，对原始锂丰度和宇宙重子密度的推断有何影响？
• RQ4 有效温度、丰度测定和样本大小的不确定性在多大程度上影响将平台解释为反对扩散的证据？
• RQ5 当完全包含原子扩散时，观测到的锂平台是否仍与高宇宙重子密度和低氘丰度一致？

主要发现

• 若最金属贫乏的晕星年龄为13.5–14 Gyr，则包含完全高效原子扩散的模型可以重现斯匹特锂平台。
• 平台上的平均锂丰度预测约为标准原始值的二分之一，意味着初始⁷Li丰度较低。
• 这一较低的原始锂丰度与高宇宙重子密度（Ω_B ≈ 0.037）和低氘丰度一致，与宇宙微波背景测量结果相符。
• 由于观测误差、T_eff 不确定性和样本量有限的综合作用，观测到的平台并非如以往认为的那样强烈反对原子扩散。
• 推导了区分高效扩散与受抑制扩散所需的最少平台恒星数量，尽管文中未明确具体数值。
• 模型表明，观测到的平台对诸如辐射悬浮和质量损失等不确定性具有鲁棒性，这些因素可能高估耗尽程度，但不会使核心发现失效。