[论文解读] Constraints on AGB models from the heavy-element composition of presolar SiC grains

Maria Lugaro, A. M. Davis+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2004

Astro and Planetary Science被引用 3

一句话总结

本文利用高精度的铁峰元素在前太阳碳化硅（SiC）颗粒中的同位素测量，约束渐近红巨星分支（Asymptotic Giant Branch, AGB）星中的中子俘获过程。通过共振离子化质谱法分析铬（Cr）、铁（Fe）和镍（Ni）的同位素比值，研究发现58Fe/56Fe和64Ni/58Ni比值对22Ne中子源和13C包层效率高度敏感，为AGB核合成模型和恒星演化参数提供了新约束。

ABSTRACT

Presolar SiC grains formed around Asymptotic Giant Branch (AGB) stars during their carbon-rich phase and contain heavy elements in trace amounts showing the signature of the slow neutron capture process (s process). Thanks to recent advances in analysis techniques, SiC data now provide extremely precise information on neutron capture cross sections and AGB models. For example, high-precision data for Mo in single SiC grains indicate that a revision of the 95Mo neutron capture cross section is needed, while data for Zr indicates that the 22Ne(alpha,n)25Mg reaction cannot be a dominant neutron source for the s process in AGB stars. We present model predictions for the composition of Fe-peak elements in AGB stars. These elements could be analysed in the near future thus providing further stringent constraints to our understanding of AGB stars.

研究动机与目标

• 利用前太阳SiC颗粒中铁峰元素的同位素组成，检验并改进AGB星核合成的理论模型。
• 研究22Ne(α,n)25Mg反应和13C(α,n)16O中子源对AGB星中同位素比值的影响。
• 识别对中子暴露最敏感的铁峰同位素——特别是58Fe/56Fe和64Ni/58Ni——以提供对AGB模型的严格约束。
• 评估13C包层质量和质量损失变化对AGB包层中预测铁峰元素同位素组成的影响。
• 评估未来对SiC颗粒中铁峰同位素的高精度测量在改善AGB恒星演化与银河系化学演化理解方面的潜力。

提出的方法

• 采用芝加哥-阿贡共振离子化质谱分析仪（CHARISMA），一种利用激光共振离子化检测单个SiC颗粒中微量元素的高灵敏度技术。
• 测量来自Murchison陨石的单个前太阳SiC颗粒中锆（Zr）、钼（Mo）、锶（Sr）、钡（Ba）和钌（Ru）的同位素组成，以推断核合成过程。
• 应用共振离子化质谱法（RIMS），通过利用独特原子能级结构选择性离子化目标元素，避免同量异位素干扰。
• 使用激光剥蚀将固态SiC颗粒汽化至气相，随后通过飞行时间质谱法进行离子化与质量分离。
• 将实验室数据与理论AGB模型结合，模拟在不同中子通量和13C包层质量下同位素产量的变化。
• 预测1.5和3 M⊙、太阳金属丰度的AGB星中铬（Cr）、铁（Fe）和镍（Ni）的同位素比值，通过改变13C包层质量评估其中子暴露的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 前太阳SiC颗粒中铁峰元素（如58Fe/56Fe和64Ni/58Ni）的同位素比值在多大程度上反映了AGB星中22Ne中子源的运行？
• RQ2 13C包层质量的变化在多大程度上影响AGB包层中铬（Cr）、铁（Fe）和镍（Ni）的预测同位素组成？
• RQ3 64Ni/58Ni比值能否作为13C包层内s过程效率差异的诊断工具？
• RQ4 质量损失和初始恒星组成中的不确定性在多大程度上影响AGB模型中预测的铁峰元素同位素丰度？
• RQ5 未来对SiC颗粒中铁峰同位素的高精度测量，对AGB核合成与银河系化学演化提供了何种约束？

主要发现

• 在热脉动期间，由于中子俘获作用，AGB星中58Fe/56Fe比值可相对于太阳值增加高达100%，使其成为22Ne中子源的强诊断指标。
• 64Ni/58Ni比值随13C包层质量变化超过两倍，表明其对s过程效率高度敏感，具有约束中子暴露变化的潜力。
• 54Cr/52Cr比值因中子俘获作用，可比太阳值高出最多20%，表明s过程在AGB星中产生了可测量的改变。
• SiC颗粒中96Zr/94Zr比值相对于太阳值偏低，表明其母星中22Ne中子源激活程度较弱。
• 单个SiC颗粒中90,91,92Zr/94Zr比值的分布范围要求13C包层中存在中子通量效率的分布，证实了s过程条件的非均匀性。
• AGB模型中铁峰元素的组成对13C包层质量和质量损失方案均敏感，表明这些同位素可帮助约束模型中的不确定参数。