[论文解读] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) II. Spectroscopic analysis of the survey sample

P. S. Barklem, N. Christlieb+8 more|ArXiv.org|May 3, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用 260

一句话总结

本研究利用高分辨率VLT/UVES快照光谱（信噪比S/N ~54，分辨率R~20,000）对HERES巡天中的253颗金属贫乏晕星进行了光谱分析。该研究测定了22种元素的中等精度丰度，并识别出8颗r-II型星，其[Fe/H]集中在-2.81附近，散射极小，揭示了低金属度下中子俘获元素存在宇宙散射，尤其体现在C、Sr、Y、Ba、Eu以及可能的Zr上。

ABSTRACT

We present the results of analysis of ``snapshot'' spectra of 253 metal-poor halo stars -3.8 < [Fe/H] < -1.5 obtained in the HERES survey. The spectra are analysed using an automated line profile analysis method based on the Spectroscopy Made Easy codes of Valenti & Piskunov. Elemental abundances of moderate precision have been obtained for 22 elements, C, Mg, Al, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sr, Y, Zr, Ba, La, Ce, Nd, Sm, and Eu, where detectable. Among the sample of 253 stars, we find 8 r-II stars and 35 r-I stars. We also find three stars with strong enhancements of Eu which are s-process rich. A significant number of new very metal-poor stars are confirmed: 49 stars with [Fe/H] < -3 and 181 stars with -3 < [Fe/H] < -2. We find one star with [Fe/H] < -3.5. We find the scatter in the abundance ratios of Mg, Ca, Sc, Ti, Cr, Fe, Co, and Ni, with respect to Fe and Mg, to be similar to the estimated relative errors and thus the cosmic scatter to be small, perhaps even non-existent. The elements C, Sr, Y, Ba and Eu, and perhaps Zr, show scatter at [Fe/H] < -2.5 significantly larger than can be explained from the errors in the analysis, implying scatter which is cosmic in origin. Significant scatter is observed in abundance ratios between light and heavy neutron-capture elements at low metallicity and low levels of r-process enrichment. (*** abridged ***)

研究动机与目标

• 对HERES巡天中大样本金属贫乏晕星进行同质化光谱分析，以研究r过程和s过程的增丰。
• 通过低至中等信噪比快照光谱的自动化分析，测定中等精度的元素丰度。
• 研究金属贫乏恒星中丰度比的分布与散射，特别是中子俘获元素，以探究早期银河系核合成与恒星演化。
• 识别并表征r过程增强星（包括r-II型与r-I型）以及Eu增强的s过程富集星。
• 通过将观测散射与分析不确定度进行比较，评估丰度比中宇宙散射的重要性。

提出的方法

• 采用基于Valenti & Piskunov (1996)的Spectroscopy Made Easy (SME)代码进行自动化谱线轮廓分析，利用合成光谱推导恒星参数与元素丰度。
• 分析覆盖3760–4980 Å波段、分辨率R ~ 20,000的高分辨率VLT/UVES快照光谱，典型信噪比约为54（范围17–308）。
• 利用模型大气与合成光谱网格拟合观测谱线轮廓，确定有效温度、表面重力、微湍流速度及元素丰度。
• 采用多个来源的原子数据（如VALD、SSK04、BGHL81），谨慎选择谱线，排除受叠加或碳增强星中强CH特征影响的谱线。
• 通过误差传播计算丰度不确定度，并将观测散射与估计误差进行比较，以区分宇宙散射与测量噪声。
• 根据Eu及其他r过程元素丰度相对于Fe和其他元素的相对丰度，对恒星进行r-II型或r-I型分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 在[Fe/H] ≤ -1.5的金属度范围内，r过程增强星的分布如何？其丰度模式与已知r过程标准相比有何异同？
• RQ2 观测到的α元素（Mg、Ca、Ti）和铁峰元素（Sc、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni）丰度比散射在多大程度上由测量误差引起，又在多大程度上源于内在宇宙散射？
• RQ3 中子俘获元素丰度比（如Sr、Y、Zr、Ba、La、Ce、Nd、Sm、Eu）的散射如何随金属度与r过程增丰水平变化？
• RQ4 样本中极低金属度星（[Fe/H] < -3）和极端r过程增强星（r-II型星）所占比例是多少？其关键丰度特征为何？
• RQ5 是否存在强Eu增强但未被r过程增强的恒星，提示s过程主导或双星污染？

主要发现

• 在253颗恒星中，8颗被分类为r-II型星，其金属度集中在[Fe/H] = -2.81，散射极小（仅0.16 dex），表明r过程模式高度一致。
• r-I型星分布在样本的全金属度范围内，从[Fe/H] = -3.8至-1.5，未表现出明显聚集。
• 本研究确认了49颗[Fe/H] < -3的恒星，以及181颗-3 < [Fe/H] < -2的恒星，其中包含一颗[Fe/H] < -3.5的恒星，显著扩展了超金属贫乏恒星的样本。
• 相对于Fe和Mg，Mg、Ca、Sc、Ti、Cr、Fe、Co和Ni的丰度比散射与分析误差一致，表明这些元素的宇宙散射可忽略或不存在。
• 在[Fe/H] ≤ -2.5时，C、Sr、Y、Ba、Eu以及可能的Zr的丰度比散射显著超过测量不确定度，表明其源于天体物理起源的内在宇宙散射。
• 大量恒星表现出Eu与s过程元素的强烈增强，表明其为s过程富集或双星污染系统，其中识别出三颗此类恒星。