[論文レビュー] Superbubbles as the source of 6Li, Be and B in the early Galaxy

E. Parizot, L. O’C. Drury|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、OB連星における繰り返し起こる超新星によって駆動される拡張する領域（スーパーバブル）が、初期銀河のハロー星における6Li、Be、Bの観測される元素比を説明できると提唱する。スーパーバブル内での粒子加速をモデル化することで、著者らは高エネルギー粒子が核反応によってこれらの軽元素を生成することを示し、SNRスペクトルを不完全な混合や選択的加速によって観測と整合させる。Be/B vs. Fe/Hの関係において、単調増加ではなく希釈線（dilution-line）的挙動を予測する。

ABSTRACT

We investigate the spallative production of the light elements, Li, Be and B (LiBeB), associated with the evolution of a superbubble (SB) blown by repeated SNe in an OB association. It is shown that if about ten percent of the SN energy can power the acceleration of particles from the material inside the SB, the observed abundances of LiBeB in halo stars, as a function of O, can be explained in a fully consistent way over several decades of metallicity. In this model, the energetic particles (EPs) reflect the SB material, which is a mixing of the ejecta of previous SNe and of the swept-up ISM gas evaporated off the shell. We investigated two different energy spectra for the EPs: the standard cosmic ray source spectrum, or `SNR spectrum', and a specific `SB spectrum', as results from the SB acceleration mechanism of Bykov & Fleishman (1992). While the latter spectrum is more efficient in producing LiBeB, the SNR spectrum can be reconciled with the observational data if an imperfect mixing of the SN ejecta with the rest of the SB material and/or a selective acceleration is invoked (enhancing the C and O abundance amongst the EPs by a factor of ~ 6). One of the main consequences of our model is that the observed linear growth of Be and B abundances as a function of Fe/H expresses a dilution line rather than a continuous, monotonic increase of the metallicity. We propose an observational test of this feature. We also show that the recent 6Li observations in halo stars fit equally well in the framework of the SB model. Finally, we conjecture the existence of two sets of low-metallicity stars, differing in their Be/Fe or B/O abundance ratios, resulting from a `bimodal' LiBeB production in the Galaxy, namely from correlated (in SBs) or isolated SN explosions.

研究の動機と目的

• 金属貧乏なハロー星における6Li、Be、Bの観測される元素比パターンを説明すること。
• 標準的な宇宙線スパリレーションモデルと観測されたLiBeB元素比の不一致を解消すること。
• スーパーバブルが初期銀河における軽元素生成の主要な場である可能性を検討すること。
• スーパーバブルモデルが最近のハロー星における6Li測定結果と整合するかを検証すること。
• スーパーバブル内での相関した（相関する）超新星と独立した超新星からの二重のLiBeB生成メカニズムの可能性を検討すること。

提案手法

• 繰り返し起こる超新星によって形成されるスーパーバブルの進化をモデル化すること。
• 10％の超新星エネルギーが粒子加速を駆動すると仮定し、スーパーバブル内での粒子加速をシミュレートすること。
• 2種類の粒子エネルギースペクトルを用いる：標準的なSNR（宇宙線）スペクトルと、Bykov & Fleishman (1992) が導出した特定の「SBスペクトル」。
• 加速された粒子が、スーパーバブル内に混合された物質（超新星噴出物と取り囲まれたISMガス）とスパリレーション反応を起こすのを追跡すること。
• ISMガスがスーパーバブル殻から蒸発し、超新星噴出物と混合するのを考慮すること。
• 酸素および鉄の元素比を関数として、ハロー星におけるLiBeB元素比の観測結果とモデル予測を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーバブルは、金属量の数十年にわたる多様な金属量の金属貧乏なハロー星における6Li、Be、Bの観測される元素比傾向を説明できるか？
• RQ2 加速粒子の「SBスペクトル」は、標準的なSNRスペクトルよりもLiBeBの生成をより効率的にするか？
• RQ3 不完全な混合や選択的加速を仮定すれば、標準的なSNRスペクトルでも観測結果と一致するか？
• RQ4 Fe/Hと比例してBeとBが線形に増加するという観測結果は、連続的な金属量の上昇を反映しているのか、それとも希釈プロセスを示しているのか？
• RQ5 異なる生成メカニズムに起因する、Be/Fe や B/O 比が異なる2つの低金属量星の集団の証拠があるか？

主な発見

• 10％の超新星エネルギーがスーパーバブル内の粒子加速を駆動すると仮定すれば、広範な金属量の範囲において、ハロー星の観測されるLiBeB元素比をモデルがうまく再現できる。
• Bykov & Fleishman (1992) が導出した「SBスペクトル」は、標準的なSNRスペクトルよりもLiBeBの生成をより効率的にする。
• 不完全な混合や選択的加速（CおよびOの高エネルギー粒子における約6倍の強化）を仮定すれば、標準的なSNRスペクトルでも観測結果と一致する。
• 観測されたBeとBのFe/Hとの線形増加は、連続的な単調増加ではなく希釈線（dilution line）として解釈され、テスト可能な予測を提供する。
• 最近のハロー星における6Liの観測結果は、スーパーバブルモデルによっても同様に良好に説明できる。
• モデルは、LiBeBがスーパーバブル内で生成されたか、あるいは独立した超新星によって生成されたかに応じて、Be/Fe や B/O 比が異なる2つの異なる起源を持つ低金属量星の存在を示唆する。