[論文レビュー] The i-process and CEMP-r/s stars

Laurent Dardelet, Christian Ritter+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、中程度の中性子密度におけるiプロセスが、CS 31062-050などの特定のCEMP-r/s星における異常な元素分画パターンを、sおよびrプロセスの標準的重ね合わせモデルよりもよく説明できると提唱している。最適化された中性子密度と露出時間を持つ一領域iプロセスシミュレーションは、YからIrまでの観測された重元素分画を観測誤差の範囲に再現しており、これらの星がiプロセスの発生源である可能性を示唆しているが、核物理的不確実性やGOSHのような3次元流体力学的効果が予測の正確性を制限している。

ABSTRACT

We investigate whether the anomalous elemental abundance patterns in some of the C-enhanced metal-poor-s+r (CEMP-r/s) stars are consistent with predictions of nucleosynthesis yields from the i-process, a neutron-capture regime at neutron densities intermediate between those typical for the slow (s) and rapid (r) processes. Conditions necessary for the i-process are expected to be met at multiple stellar sites, such as the He-core and He-shell flashes in low-metallicity low-mass stars, super-AGB and post-AGB stars, as well as low-metallicity massive stars. We have found that single-exposure one-zone simulations of the i-process reproduce the abundance patterns in some of the CEMP-r/s stars much better than the model that assumes a superposition of yields from s- and r-process sources. Our previous study of nuclear data uncertainties relevant to the i-process revealed that they could have a significant impact on the i-process yields obtained in our idealized one-zone calculations, leading, for example, to ~0.7dex uncertainty in our predicted [Ba/La] ratio. Recent 3D hydrodynamic simulations of convection driven by a He-shell flash in post-AGB Sakurai's object have discovered a new mode of non-radial instabilities: the Global Oscillation of Shell H-ingestion. This has demonstrated that spherically symmetric stellar evolution simulations cannot be used to accurately model physical conditions for the i-process.

研究の動機と目的

• CEMP-r/s星における観測された分画パターンがiプロセスによって再現可能かどうかを検証すること。特に、標準的なsおよびrプロセスの重ね合わせモデルに挑戦する、高[hs/ls]および低[La/Eu]比を示す星を対象とする。
• 核物理的不確実性、特に[Ba/La]および[La/Eu]といった重要な同位体比に対するiプロセスの生成物に与える影響を評価すること。
• Sakuraiの星におけるHインジェストの最近の3次元流体力学的シミュレーションの結果が、iプロセスモデリングに与える意味を評価すること。
• 一領域iプロセスシミュレーションが、CEMP-r/s星の観測された重元素分画（YからIrまで）を観測誤差の範囲で定量的に再現できるかどうかを特定すること。

提案手法

• T = 2×10⁸ Kおよびρ = 10⁴ g cm⁻³の条件下で、ヘリウムシェルフラッシュ駆動の対流圏を模倣するため、一領域、定温、定密度のiプロセスシミュレーションをNuGrid PPNコードを用いて実施した。
• CS 31062-050などのCEMP-r/s星の観測分画パターンに一致させるために、中性子密度（Nₙ ≈ 10¹⁵ cm⁻³）と露出時間（10–50 mbarn⁻¹）を最適化した。
• 初期分画は太陽系値をZ = 10⁻³にスケーリングし、CおよびOはヘリウムPDCZ条件（X¹²C = 0.5, X¹⁶O = 0.05）に合わせて調整した。HはH豊富なエンVELOPEからインジェストされた。
• 核反応速度は、3つのHauser-Feshbachコード（NON-SMOKER, CoH 3.3, TALYS 1.4）を用いて変動させ、予測される生成物に対する不確実性を評価した。
• Sakuraiの星におけるHインジェストの3次元流体力学的シミュレーションを解析し、核合成と混合に影響を与える新たな不安定性、特にグローバル・オシレーション・オブ・シェル・Hインジェスト（GOSH）を同定した。
• CEMP-r/s星（例：CS 31062-050, HE 0338-3945, CS 22898-027）の観測分画データとモデル予測を比較し、適合度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 iプロセスは、[hs/ls]が高く[La/Eu]が低いという特徴を持つCEMP-r/s星の観測分画パターンを、標準的なsおよびrプロセスの重ね合わせモデルよりもよく再現できるか？
• RQ2 核反応速度の不確実性が、Ba、La、Euといった重要な同位体のiプロセス生成物にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非球面的・非径方向的不安定性、特にGOSHが、post-AGB星におけるiプロセス核合成の物理的条件をどのように変化させるか？
• RQ4 一領域iプロセスシミュレーションは、観測誤差の範囲内でCEMP-r/s星の観測された重元素分画（YからIrまで）を定量的に再現できるか？
• RQ5 Sakuraiの星におけるHインジェストの3次元流体力学的シミュレーションは、iプロセス研究における球対称1次元星の進化モデルの妥当性をどの程度疑問視するか？

主な発見

• 最適化された中性子密度（Nₙ）と露出時間（τ）を有する一領域iプロセスシミュレーションは、CS 31062-050のようなCEMP-r/s星の観測分画パターンをYからIrまでの元素で観測誤差の範囲に正確に再現した。
• iプロセスモデルは、標準的なsおよびrプロセスの重ね合わせモデルよりもCS 31062-050の分画パターンをよく再現しており、特にその低[La/Eu]および高[hs/ls]比を説明できる。
• 核物理的不確実性、特に反応速度の不確実性により、予測される[Ba/La]比に約0.7 dex、[La/Eu]に約0.3 dexの不確実性が生じ、モデルの予測可能性に顕著な制限をもたらしている。
• Sakuraiの星におけるHインジェストの3次元流体力学的シミュレーションにより、球対称仮定を破る新たな非径方向不安定モード、すなわちグローバル・オシレーション・オブ・シェル・Hインジェスト（GOSH）が同定された。
• GOSHモードは、1536³グリッドのシミュレーションで約850分後に観測され、繰り返し激しい混合イベントを引き起こし、エントロピーの取り込みを増加させ、核合成条件を変化させる。
• GOSH不安定性はまだ1次元星の進化モデルに組み込まれておらず、現在のiプロセスシミュレーションにおける重大な限界を示しており、3次元情報に基づいた手法の必要性を強調している。