[论文解读] The role of binaries in the enrichment of the early Galactic halo. II. Carbon-Enhanced Metal-Poor Stars - CEMP-no stars

Terese T. Hansen, J. Andersen+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 138被引用 36

一句话总结

本研究通过长期径向速度监测，调查了24颗碳增强金属贫金属（CEMP-no）星的双星频率，以检验其碳过量是否源于双星质量转移或原初富集。利用FIES光谱仪进行长期监测，发现仅有17%的CEMP-no星为双星，表明碳过量与双星相互作用无关，因此这些恒星可能形成于早期银河晕中原始的、富含碳的气体。

ABSTRACT

The detailed composition of most metal-poor halo stars has been found to be very uniform. However, a fraction of 20-70% (increasing with decreasing metallicity) exhibit dramatic enhancements in their abundances of carbon - the so-called carbon-enhanced metal-poor (CEMP) stars. A key question for Galactic chemical evolution models is whether this non-standard composition reflects that of the stellar natal clouds, or is due to local, post-birth mass transfer of chemically processed material from a binary companion; CEMP stars should then all be members of binary systems. Our aim is to determine the frequency and orbital parameters of binaries among CEMP stars with and without over-abundances of neutron-capture elements - CEMP-s and CEMP-no stars, respectively - as a test of this local mass-transfer scenario. This paper discusses a sample of 24 CEMP-no stars, while a subsequent paper will consider a similar sample of CEMP-s stars. Most programme stars exhibit no statistically significant radial-velocit variation over this period and appear to be single, while four are found to be binaries with orbital periods of 300-2,000 days and normal eccentricity; the binary frequency for the sample is 17+-9%. The single stars mostly belong to the recently-identified ``low-C band'', while the binaries have higher absolute carbon abundances. We conclude that the nucleosynthetic process responsible for the strong carbon excess in these ancient stars is unrelated to their binary status; the carbon was imprinted on their natal molecular clouds in the early Galactic ISM by an even earlier, external source, strongly indicating that the CEMP-no stars are likely bona fide second-generation stars. We discuss potential production sites for carbon and its transfer across interstellar distances in the early ISM, and implications for the composition of high-redshift DLA systems. Abridged.

研究动机与目标

• 确定CEMP-no星中双星系统的频率和轨道参数，以检验其碳过量是否源于双星质量转移的假说。
• 评估CEMP-no星中观测到的碳增强是否源于双星伴星的后期质量转移，或反映其原行星分子云的原初富集。
• 比较CEMP-no样本中单星与双星的双星频率和碳丰度分布。
• 研究碳丰度带（低-C与高-C）与双星状态之间的关联，以约束早期恒星中碳的起源。
• 为早期宇宙中碳的核合成起源提供观测约束，并探讨其对高红移DLA系统的启示。

提出的方法

• 使用北欧光学望远镜上的FIES光谱仪，在长达八年的时间内获取了高分辨率、低信噪比的光谱数据。
• 通过逐日互相关法，以约100 m s⁻¹的精度测量径向速度，以检测轨道变化。
• 对径向速度变化进行统计分析，以识别双星系统，并确定轨道周期和偏心率。
• 基于[Fe/H] < -2.0 且 [Ba/Fe] < -0.5（排除慢中子俘获元素增强）的标准将恒星分类为CEMP-no星。
• 将样本划分为单星与双星，以比较碳丰度分布，并识别与低-C和高-C带的相关性。
• 交叉比对历史与档案数据，以验证径向速度趋势并检测长期变异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CEMP-no星中的双星频率是多少？该频率是否支持碳富集的双星质量转移情景？
• RQ2 高碳丰度的CEMP-no星是否比低碳丰度的星具有更高的双星比例？
• RQ3 碳丰度带（低-C与高-C）与双星伴星的存在之间是否存在相关性？
• RQ4 样本中的径向速度变化是否表明轨道运动，与来自伴星的质量转移一致？
• RQ5 CEMP-no星中观测到的碳过量是否更可能由原初富集而非出生后质量转移解释？

主要发现

• 24颗CEMP-no星中双星频率为17 ± 9%，其中四颗被确认为双星，轨道周期介于300至2,000天之间，偏心率正常。
• 大多数CEMP-no星（20/24）未表现出统计上显著的径向速度变化，表明它们很可能是单星。
• 高-C带的恒星表现出更高的碳丰度，且更可能为双星，而单星主要属于低-C带。
• 双星状态与碳过量之间缺乏强相关性，意味着碳过量并非源于双星伴星的质量转移。
• 因此，观测到的碳增强最可能归因于外部源（如暗弱超新星或自旋星）对原行星分子云的原初富集。
• 结果支持结论：CEMP-no星是真正意义上的第二代恒星，形成于早期银河晕中由第一代恒星富集的气体。