[论文解读] High-precision abundances of Sc, Mn, Cu, and Ba in solar twins. Trends of element ratios with stellar age

P. E. Nissen|Jun 27, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 93被引用 3

一句话总结

本研究利用HARPS光谱对21颗类太阳恒星中的Sc、Mn、Cu和Ba进行了高精度丰度分析，揭示了年龄小于6 Gyr的恒星中[X/Fe]比值与恒星年龄之间存在紧密的线性相关性。结果表明，Sc、Mn和Cu主要由大质量恒星中的II型超新星和弱s-过程产生，而Ba则由低质量AGB恒星富集，[Y/Mg]和[Y/Al]作为化学时钟在约1 Gyr精度下可用于年龄测定。

ABSTRACT

A previous study of correlations between element abundance ratios, [X/Fe], and ages of solar twin stars is extended to include Sc, Mn, Cu, and Ba. HARPS spectra with S/N > 600 are used to derive very precise (+/- 0.01 dex) differential abundances, and stellar ages with internal errors less than 1 Gyr are obtained by interpolation in the logg - Teff diagram between isochrones calculated with the Aarhus Stellar Evolution Code. For stars younger than 6 Gyr, [X/Fe] is tightly correlated with stellar age for all elements. For ages between 6 and 9 Gyr, the [X/Fe] - age correlations break down and the stars split up into two groups having respectively high and low [X/Fe] for the odd-Z elements. It is concluded that while stars in the solar neighborhood younger than about 6 Gyr were formed from interstellar gas with a smooth chemical evolution, older stars have originated from regions enriched by supernovae with different neutron excesses. Furthermore, the correlations between abundance ratios and stellar age suggest that: i) Sc is made in Type II supernovae along with the alpha-capture elements, ii) the Type II to Ia SNe yield ratio is about the same for Mn and Fe, iii) Cu is mainly made by the weak s-process in massive stars, iv) the Ba/Y yield ratio for AGB stars increases with decreasing stellar mass, v) [Y/Mg] and [Y/Al] can be used as "chemical clocks" when determining ages of solar metallicity stars.

研究动机与目标

• 将元素丰度随恒星年龄变化趋势的研究扩展至类太阳恒星中的Sc、Mn、Cu和Ba。
• 通过分析这些元素相对于Fe及其他参考元素的丰度比，探究其核合成起源。
• 确定观测到的丰度-年龄相关性是否反映平稳的银河系化学演化，还是老恒星中复杂的富集历史。
• 评估[Y/Mg]和[Y/Al]作为太阳金属丰度恒星年龄测定化学时钟的潜力。
• 通过观测到的丰度分布，探讨II型超新星中的中子过剩效应及AGB恒星中质量依赖的产物输出。

提出的方法

• 使用信噪比>600的高分辨率HARPS光谱，以约0.01 dex的精度推导微分丰度。
• 利用MARCS模型大气参数，通过铁线激发能/电离平衡确定恒星大气参数。
• 通过在log g – T_eff图中插值Aarhus恒星演化代码（ASTEC）的等龄线，推导恒星年龄。
• 将丰度比[X/Fe]作为年龄的函数进行分析，特别关注元素凝聚温度（T_C）的依赖性。
• 使用减少卡方（χ²_red ≈ 1）评估[X/Fe]与年龄的线性拟合优度。
• 与Yonsei-Yale等龄线进行比较，以评估年龄标度的一致性，并考虑ASTEC模型中的金属扩散效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类太阳恒星中，[Sc/Fe]、[Mn/Fe]、[Cu/Fe]和[Ba/Fe]丰度比如何随恒星年龄变化？
• RQ2 观测到的丰度随年龄变化的趋势是否支持年龄小于6 Gyr的恒星具有平稳化学演化情景？
• RQ3 在较老恒星（6–9 Gyr）中，奇原子序数元素（Na、Al、Sc、Cu）的丰度分布揭示了银河系盘面化学富集历史的哪些信息？
• RQ4 [Y/Mg]和[Y/Al]能否作为可靠化学时钟，用于约1 Gyr精度的恒星年龄估算？
• RQ5 从丰度趋势推断，AGB恒星中Ba和Y的产出如何依赖于恒星质量？

主要发现

• 对于年龄小于6 Gyr的恒星，Sc、Mn、Cu和Ba的[X/Fe]比值与年龄表现出紧密的线性相关性，减少卡方值接近1，表明年龄-丰度关系具有高保真度。
• [Sc/Mg]比值随年龄平滑变化，表明Sc与α捕获元素一同在II型超新星中产生。
• [Mn/Fe]随年龄基本恒定，表明Mn的Ia型与II型超新星产额比与Fe相近。
• [Cu/Na]在所有年龄中散射极小，支持Cu主要通过大质量恒星中的弱s-过程合成的假设。
• [Ba/Fe]随年龄减小而增加的斜率大于[Y/Fe]，表明AGB恒星中Ba/Y产额比随恒星质量减小而增加，与近期理论预测一致。
• [Y/Mg]和[Y/Al]表现出线性、与年龄相关的趋势，斜率接近-0.04 dex Gyr⁻¹，确立了其作为太阳金属丰度恒星年龄估算的稳健化学时钟。