[论文解读] First Stars II. Elemental abundances in the extremely metal-poor star CS 22949--037: A diagnostic of early massive supernovae

É. Depagne, V. Hill+11 more|ArXiv.org|May 15, 2002

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 35被引用 122

一句话总结

本研究利用甚大望远镜-紫外-可见光阶梯光谱仪（VLT-UVES）对极低金属丰度巨星 CS 22949–037（[Fe/H] ≈ −4.0）进行了高分辨率光谱观测，揭示了氧（[O/Fe] = 1.97 ± 0.1）和氮（[N/Fe] = 2.56 ± 0.2）的极端增强，以及较低的12C/13C比值（4 ± 2），表明存在显著的CNO核合成过程。数据更支持30–40 M☉的核心坍缩超新星并伴有物质回落作为其前身星，而非成对不稳定性超新星，因为后者在奇偶核素和锌丰度预测上与观测结果不一致。

ABSTRACT

CS 22949--037 is one of the most metal-poor giants known ([Fe/H]$ \approx-4.0$), and it exhibits large overabundances of carbon and nitrogen (Norris et al.). Using VLT-UVES spectra of unprecedented quality, regarding resolution and S/N ratio, covering a wide wavelength range (from $λ= 350$ to 900 nm), we have determined abundances for 21 elements in this star over a wide range of atomic mass. The major new discovery is an exceptionally large oxygen enhancement, [O/Fe] $= 1.97\pm0.1$, as measured from the [OI] line at 630.0 nm. We find an enhancement of [N/Fe] of $2.56\pm 0.2$, and a milder one of [C/Fe] $= 1.17\pm$0.1, similar to those already reported in the literature. This implies $Z_{\star}=0.01 Z_{\odot}$. We also find carbon isotopic ratios $^{12}$C/$^{13}$C$ =4\pm2.0$ and $^{13}$C/$^{14}$N$ =0.03 ^{+0.035}_{-0.015}$, close to the equilibrium value of the CN cycle. Lithium is not detected. Na is strongly enhanced ([Na/Fe] $= +2.1 \pm 0.2$), while S and K are not detected. The silicon-burning elements Cr and Mn are underabundant, while Co and Zn are overabundant ([Zn/Fe]$ = +0.7$). Zn is measured for the first time in such an extremely metal-poor star. The abundances of the neutron-capture elements Sr, Y, and Ba are strongly decreasing with the atomic number of the element: [Sr/Fe] $\approx +0.3$, [Y/Fe] $\approx -0.1$, and [Ba/Fe] $\approx -0.6$. Among possible progenitors of CS 22949--037, we discuss the pair-instability supernovae. Such very massive objects indeed produce large amounts of oxygen, and have been found to be possible sources of primary nitrogen. Other scenarios are also discussed. A 30-40$M_{\odot}$ supernova, with fallback, seems the most likely progenitor for CS 22949--037.

研究动机与目标

• 利用甚高分辨率、高信噪比的 VLT-UVES 光谱，测定极低金属丰度恒星 CS 22949–037 的元素丰度。
• 研究该恒星异常丰度模式的核合成起源，特别是氧和氮的极端过量。
• 检验观测到的丰度是否能由成对不稳定性超新星或零金属丰度下的核心坍缩超新星模型解释。
• 评估内部混合过程（如CN循环处理）在恒星或其前身星中改变表面丰度的作用。
• 评估观测到的慢中子俘获元素趋势（Sr、Y、Ba）对前身星中子暴露历史的启示。

提出的方法

• 从帕拉纳天文台的甚大望远镜获取覆盖350–900 nm波段、分辨率R ≈ 45,000、信噪比S/N ≈ 100–200的UVES光谱。
• 使用模型大气和谱线列表数据进行详细的光谱合成，以局部热动平衡（LTE）条件推导元素丰度，并对Na和Al的非局部热动平衡效应进行修正。
• 对恒星中的内部混合过程进行修正，特别是对C和N，假设其通过CN循环发生转化。
• 将观测到的丰度比与零金属丰度超新星模型的理论产出进行比较，特别是Heger与Woosley提出的Z35Z模型。
• 首次在如此低金属丰度的恒星中使用禁线[O I] 630.0 nm来高精度测定氧丰度。
• 分析同位素比值（12C/13C 和 13C/14N）以推断CNO处理的程度，并与平衡值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 CS 22949–037 中极端氧增强（[O/Fe] = 1.97 ± 0.1）的起源是什么？是否能由成对不稳定性超新星解释？
• RQ2 为何在如此低金属丰度的恒星中氮呈现过量（[N/Fe] = 2.56 ± 0.2）？内部CNO处理在此过程中起什么作用？
• RQ3 观测到的中子俘获元素（Sr、Y、Ba）丰度随原子序数的变化趋势与标准超新星产出预测如何比较？
• RQ4 观测到的丰度模式能否由单一核心坍缩超新星模型（如Z35Z模型）重现？还是需要多前身星情景？
• RQ5 表面丰度在演化后期是否因混合过程（特别是通过CN循环）而发生显著改变？

主要发现

• 首次在极低金属丰度恒星中测量到630.0 nm处的[O I]线，测得[O/Fe] = 1.97 ± 0.1，表明氧存在强烈过量。
• 氮高度增强，[N/Fe] = 2.56 ± 0.2，12C/13C比值为4 ± 2，与CN循环的近平衡条件一致。
• 碳轻微增强，[C/Fe] = 1.17 ± 0.1；钠强烈增强（[Na/Fe] = +2.1 ± 0.2），而硫和钾未被检测到。
• 中子俘获元素表现出随原子序数迅速下降的趋势：[Sr/Fe] ≈ +0.3，[Y/Fe] ≈ −0.1，[Ba/Fe] ≈ −0.6，表明中子暴露过程被截断。
• 首次在该类恒星中检测到锌，[Zn/Fe] = +0.7，该结果与成对不稳定性超新星模型的预测不一致。
• 观测到的丰度模式与Heger与Woosley提出的Z35Z零金属丰度核心坍缩超新星模型具有较好一致性，支持30–40 M☉的前身星并伴有物质回落。