[論文レビュー] High-precision abundances of elements in solar twin stars: Trends with stellar age and elemental condensation temperature

P. E. Nissen|Apr 28, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、HARPS分光法を用いて21個の太陽類星および太陽の高精度な元素組成を提示し、[X/Fe]と星の年齢との間に強い相関が見られることを明らかにした。この相関は8 Gyrの期間にわたり最大0.20 dexに達する。一方、[X/Fe]–T_C関係は大多数の星において明確に定義されていない。特に[Y/Mg]および[Mg/Fe]における年齢依存性は、地球型惑星形成の指標としての[T_C]–[X/Fe]勾配の信頼性を疑問視させるものである。

ABSTRACT

HARPS spectra with S/N > 600 for 21 solar twin stars are used to determine very precise (sigma ~ 0.01 dex) differential abundances of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, and Y in order to see how well [X/Fe] is correlated with elemental condensation temperature, Tc. In addition, precise (sigma < 0.8 Gyr) stellar ages are obtained by interpolating between Yonsei-Yale isochrones in the logg - Teff diagram. It is confirmed that the ratio between refractory and volatile elements is lower in the Sun than in most of the solar twins, but for many stars, the relation between [X/Fe] and Tc is not well defined. For several elements there is, instead, an astonishingly tight correlation between [X/Fe] and stellar age with amplitudes up to 0.2 dex over an age interval of 8 Gyr in contrast to the lack of correlation between [Fe/H] and age. While [Mg/Fe] increases with age, the s-process element yttrium shows the opposite behavior so that [Y/Mg] can be used as a sensitive chronometer for Galactic evolution. [Na/Fe] and [Ni/Fe] are not well correlated with stellar age, but define a tight Ni-Na relation similar to that previously found for more metal-poor stars. These results provide new constraints on supernovae yields and Galactic evolution. Furthermore, it is found that the C/O ratio evolves very little with time, which is of interest for discussions of the composition of exoplanets.

研究の動機と目的

• 太陽類星における[X/Fe]–凝固温度(T_C)関係が、地球型惑星形成の特徴として機能するかどうかを検証すること。
• 星の年齢が太陽型星における元素比、特に[X/Fe]に与える影響を調査すること。
• 高精度な組成測定と比較することで、[X/Fe]–T_C勾配が惑星系の診断ツールとして信頼できるかどうかを評価すること。
• 銀河化学進化および超新星産出物に及ぼす年齢依存的組成傾向の意味を検討すること。
• 系外惑星の組成および核合成に及ぼす影響を考慮し、C/OおよびNi-Na比の挙動を検討すること。

提案手法

• 21個の太陽類星および太陽（小惑星反射光を介して）の高S/N（600以上）のHARPS分光データを取得した。
• MARCSモデル大気を用いて鉄線の励起およびイオン化平衡を用いて、正確な星のパラメータ（T_eff、log g、[Fe/H]）を決定した。
• スペクトル線の等価幅から、非局所熱的平衡（non-LTE）効果が適用可能な場合には補正を加えて、C、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Ti、Cr、Fe、Ni、Zn、Yの元素組成を計算した。
• Yonsei-Yale等光線を用いてlog g–T_eff図上で補間することで、正確な星の年齢（σ < 0.8 Gyr）を推定した。
• 線形回帰とχ²赤色統計量を用いて、[X/Fe]とT_C、星の年齢、その他の組成比との相関を分析した。
• 既知の太陽系組成と比較することで、[X/Fe]–T_C関係の妥当性と、惑星形成指標としての可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽類星における[X/Fe]–T_C勾配は太陽と顕著に異なっているか。また、地球型惑星の存在と相関しているか。
• RQ2 太陽類星における元素比[X/Fe]は星の年齢とともにどのように変化するか。これは銀河化学進化に何を示唆するか。
• RQ3 [Ni/Fe]と[Na/Fe]は年齢とどの程度相関しているか。金属欠乏星におけるそれらの相関関係と比較するとどうなるか。
• RQ4 太陽金属量の星において、C/O比は時間とともに顕著に変化するか。その系外惑星組成への影響は何か。
• RQ5 [Y/Mg]は太陽類星における銀河進化の精密な時計として機能できるか。

主な発見

• 太陽は21個の太陽類星のうち20個よりも難揮発性元素と揮発性元素の比が低く、[X/Fe]–T_C分布が類似しているのは唯一1つの星にとどまる。
• 大多数の太陽類星において、[X/Fe]–T_C関係は明確に定義されておらず、線形回帰のχ²_red > 1であるため、強い相関がないことが示唆される。
• [Mg/Fe]は8 Gyrの期間にわたり最大約0.20 dex増加しており、これは超新星産出物の変化または初期質量関数の変化を示唆している。
• [Y/Mg]は年齢と強い負の相関を示し、精密な時計としての可能性がある：[Y/Mg]の精度が0.04 dexであれば、年齢の精度は約1 Gyrに達する。
• C/O比は銀河のディスク領域の寿命にわたりほぼ一定で、~0.55 ± 0.04のまま維持されている。これは[C/Fe]と[O/Fe]が約0.15 dex変化しているにもかかわらずである。
• [Ni/Fe]と[Na/Fe]は年齢と相関が弱いが、傾きが約0.6、振幅が約0.07 dexのきつい線形関係を示しており、大質量星における共通の核合成起源を示している。