[论文解读] A resolution of the cosmic Lithium problem

Rachid Ouyed|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2013

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提出，夸克超新星（QNe），特别是来自第三星族恒星的延迟超亮夸克超新星（dsQNe），通过在富氧喷射物中的散裂反应，产生A(Li) ≈ 2.2的⁷Li平台，从而解决宇宙锂问题。该模型解释了观测到的Spite平台、其低分散性，以及在[Fe/H] < -3时锂的后续下降，调和了大爆炸核合成预测与贫金属晕星观测结果之间的矛盾。

ABSTRACT

In 1982, Monique and Francois Spite discovered that the 7Li abundance in the atmosphere of old metal-poor dwarf stars in the galactic halo was independent of metallicity and temperature. Since then, 7Li abundance in the Universe has become a subject of intrigue, because there is less of it in Population II dwarf stars (by a factor of 3) than standard big bang nucleosynthesis predicts. Here we show how quark-novae (QNe) occurring in the wake of Pop. III stars, can elegantly produce an A(Li) ~ 2.2 Lithium plateau in Pop. II (low-mass) stars formed in the pristine cloud swept up by the mixed SN+QN ejecta. We also find an increase in the scatter as well as an eventual drop in A(Li) below the Spite plateau values for very low metallicity ([Fe/H] &lt; -3) in excellent agreement with observations. We propose a solution to the discrepancy between the Big Bang Nucleosynthesis 7Li abundance and the Spite plateau and list some implications and predictions of our model.

研究动机与目标

• 解决大爆炸核合成预测的原始⁷Li丰度（A(Li) ≈ 2.72）与贫金属晕星中观测值（A(Li) ≈ 2.2）之间长期存在的差异。
• 解释Spite平台恒星中⁷Li丰度的低分散性（≤0.05 dex），这一现象对标准耗竭模型构成挑战。
• 解释在[Fe/H] < -3时观测到的锂丰度下降现象，该特征在传统模型中无法解释。
• 提出一种物理解释机制——来自第三星族恒星的夸克超新星——可同时解释锂的产生、早期再电离以及超亮超新星的观测延迟时间分布。

提出的方法

• 模拟延迟超亮夸克超新星（dsQNe）喷射物中富氧物质对⁷Li产额的散裂反应。
• 采用延迟时间t_delay > 8.3天，以确保在SN+QN喷射物的氧层中发生散裂反应的足够作用时间。
• 模拟SN+QN喷射物扫掠的原始星际介质的混合过程，导致低质量第二星族恒星的形成。
• 应用消光模型，即原始⁷Li在大质量第三星族恒星中被破坏，随后由dsQNe重新处理。
• 将所得⁷Li丰度与观测到的Spite平台值（A(Li) ≈ 2.2）进行匹配，并与金属量趋势进行比较。
• 预测dsQNe的引力波信号，将其与未来引力波天文台的探测前景相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 夸克超新星（QNe）能否产生A(Li) ≈ 2.2的⁷Li平台，与贫金属晕星中观测到的Spite平台相匹配？
• RQ2 何种物理机制能够解释Spite平台恒星中⁷Li丰度的低分散性（≤0.05 dex）？
• RQ3 为何在[Fe/H] < -3时⁷Li丰度低于Spite平台？这一现象能否由单一模型重现？
• RQ4 SN+QN喷射物扫掠的原始云团形成低质量第二星族恒星的机制，能否解释其观测到的化学丰度？
• RQ5 dsQNe是否能为锂的产生、早期再电离以及超亮超新星的观测延迟时间分布提供统一的物理解释？

主要发现

• 该模型产生A(Li) ≈ 2.2的⁷Li平台，与贫金属晕星中观测到的Spite平台完全一致。
• 由于富氧喷射物中散裂反应的高度一致性，该模型自然重现了Spite平台恒星中⁷Li丰度的低分散性（≤0.05 dex）。
• 该模型预测在[Fe/H] ≈ -3以下，A(Li)随金属量降低而减少，与极端贫金属星的观测结果一致。
• 该模型解释了由SN+QN喷射物扫掠的原始云团形成低质量第二星族恒星的过程，其化学丰度与观测到的贫金属矮星相符。
• 该模型将dsQNe与早期再电离联系起来，因为来自第三星族恒星的dsQNe可产生足够多的电离光子，与WMAP光学深度相匹配。
• 预测的dsQNe延迟时间范围（2–20天）与超亮超新星光曲线拟合及化学异常SNe的观测一致，暗示其具有普遍的物理起源。