[논문 리뷰] The survival of 205Pb in intermediate-mass AGB stars

N. Mowlavï, S. Goriely외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 11. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 중간 질량의 적색거성지수기(AGB) 별에서 멸종한 방사성 뉴클리드 205Pb의 생존성과 표면 농축을 세밀한 별 모델을 통해 조사한다. 3M⊙, Z=0.02 별에서는 205Pb 표면 오염이 불가능한 반면, 더 높은 질량 또는 더 낮은 금속성 별(예: 6M⊙, Z=0.02 또는 3M⊙, Z=0.001)에서는 205Pb 생성 및 파괴를 지배하는 약한 상호작용 속도의 온도 및 밀도 민감도로 인해 상대적으로 더 높은 확률로 발생할 수 있다.

ABSTRACT

The now extinct 205Pb is a pure s-process radionuclide (t_{1/2} = 1.5x10^7 y) of possible substantial cosmochemical interest. As a necessary complement to the detailed theoretical study of the nuclear physics and astrophysics aspects of the 205Pb - 205Tl pair carried out by Yokoi et al. (1985), and to the recent calculation of the 205Pb production in Wolf-Rayet stars by Arnould et al. (1997), this paper addresses for the first time in some detail the question of the survival of this radionuclide in thermally pulsing AGB stars. This problem is made difficult by the high sensitivity to temperature and density of the rates of the weak interaction processes that are able to produce or destroy 205Pb. In view of this sensitivity, a recourse to detailed stellar models is mandatory. With the help of some simplifying assumptions concerning in particular the third dredge-up characteristics, some of which (like its depth) being considered as free parameters, predictions are made for the 205Pb contamination of the stellar surface at the end of a pulse-interpulse cycle following a series of a dozen of pulses in three different intermediate-mass stars (M=3M_sun,Z=0.02; M=6M_sun,Z=0.02; M=3M_sun,Z=0.001). It is concluded that the chances for a significant 205Pb surface enrichment are likely to increase with M for a given Z, or to increase with decreasing Z for a given M. More specifically, following the considered pulses at least, the enrichment appears to be rather unlikely in the 3M_sun star with Z=0.02, while it seems to be much more probable in the other two considered stars. It is also speculated that the (3M_sun,Z=0.02) star could possibly experience some 205Pb enrichment following later pulses than the ones considered in this paper.

연구 동기 및 목표

• 중간 질량 AGB 별에서 멸종한 방사성 뉴클리드 205Pb의 생존성과 잠재적 표면 농축을 평가하기 위해.
• 205Pb를 생성하거나 파괴하는 데 관여하는 약한 상호작용 속도의 고온·고밀도 민감도로 인해 발생하는 과제를 다루기 위해.
• 특히 제3의 끓는 끓임(3rd dredge-up)을 포함한 항성 진화 과정이 다수의 열맥동 주기 동안 205Pb 표면 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 205Pb 오염이 가장 가능성이 높은 항성 조건(질량 및 금속성)을 규명하기 위해.
• 워프-레이너 별에서의 205Pb 생성에 관한 이론적 연구를 확장하여 AGB 별 진화에 초점을 맞추기 위해.

제안 방법

• 3개의 중간 질량 AGB 별(3M⊙, Z=0.02; 6M⊙, Z=0.02; 3M⊙, Z=0.001)에 대해 세밀한 항성 진화 모델을 활용하였다.
• 열맥동과 제3의 끓는 끓임의 영향을 반영하였으며, 그 깊이를 자유 매개변수로 간주하여 다양한 시나리오를 탐색하였다.
• 온도 및 밀도 민감도를 갖는 핵반응 속도를 사용하여 약한 상호작용을 통한 205Pb 생성 및 파괴를 모델링하였다.
• 십여 개의 열맥동을 거쳐 표면 농도를 추적하였으며, 맥동-간격 주기의 끝부분에 집중하였다.
• 복잡한 항성 물리학을 계산적으로 다룰 수 있도록 하면서도 핵심 물리적 통찰을 유지하기 위해 단순화된 가정을 적용하였다.
• 다양한 항성 질량 및 금속성에서 예측된 205Pb 표면 농도를 비교하여 농축 가능성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 열맥동 이후 중간 질량 AGB 별 표면에서 205Pb가 생존하고 농축될 가능성은 얼마나 되는가?
• RQ2 제3의 끓는 끓임은 AGB 별에서 205Pb 표면 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 항성 질량은 다양한 금속성을 가진 AGB 별에서 205Pb의 생존성과 표면 농축에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 금속성은 AGB 별에서 205Pb 표면 오염 확률을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 3M⊙, Z=0.02 별에서 초기 생존 가능성은 낮지만, 후속 열맥동이 고려될 경우 검출 가능한 205Pb 농축이 발생할 수 있는가?

주요 결과

• 12개의 열맥동 이후 3M⊙, Z=0.02 AGB 별에서는 205Pb 표면 농축이 불가능한 것으로 나타났다.
• 더 높은 질량의 AGB 별, 예를 들어 6M⊙, Z=0.02 별에서는 상당한 205Pb 표면 농축이 더 가능성이 높아졌다.
• 낮은 금속성 별, 예를 들어 3M⊙, Z=0.001 별은 태양 금속성 별과 비교해 별로 더 높은 205Pb 표면 오염 가능성을 보였다.
• 205Pb 생존 확률은 항성 질량 증가와 금속성 감소에 따라 증가하는 경향을 보였다.
• 3M⊙, Z=0.02 별은 초기 12개의 맥동 이후에도 후속 열맥동을 고려할 경우 여전히 205Pb 농축을 겪을 수 있다.
• 205Pb 생존은 특히 헬륨 간섭층 내의 온도 및 밀도 조건에 매우 민감하며, 이는 약한 상호작용 속도에 기인한다.