[论文解读] Mono-enriched stars and Galactic chemical evolution -- Possible biases in observations and theory

C. J. Hansen, Andreas Koch+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 138被引用 6

一句话总结

本研究利用PEPSI光谱仪对14颗金属贫乏恒星进行了高精度、三维非局部热动平衡（NLTE）修正的元素丰度模式分析，以重新评估第一代恒星的性质及银河系化学演化。研究发现，BD+09_2190是一颗真实存在的第二代、单元素富集恒星，极有可能由质量为19.2 M⊙的第三星族超新星爆发形成，能量释放为1.5 foe，表明忽略三维（3D）和非局部热动平衡（NLTE）效应会导致对原恒星质量与能量的显著偏差。

ABSTRACT

A long sought after goal using chemical abundance patterns derived from metal-poor stars is to understand the Galactic chemical evolution (GCE) and to pin down the nature of the first stars (Pop III). Here, we use a sample of 14 metal-poor stars observed with the high-resolution spectrograph PEPSI at the LBT to derive abundances of 32 elements (34 including limits). We present well-sampled abundance patterns for all stars obtained using local thermodynamic equilibrium (LTE) radiative transfer codes and 1D hydrostatic model atmospheres. It is currently well known that the assumptions of 1D and LTE may hide several issues, thereby introducing biases in our interpretation as to the nature of the first stars and the GCE. Hence, we use non-LTE (NLTE) and correct the abundances using 3D model atmospheres to present a physically more reliable pattern. In order to infer the nature of the first stars, we compare unevolved, cool stars, enriched by a single event (`mono-enriched'), with a set of yield predictions to pin down the mass and energy of the Pop III progenitor. To date, only few bona fide second generation mono-enriched stars are known. A simple x^2-fit may bias our inferred mass and energy just as much as the simple 1D LTE abundance pattern, and we thus carried out our study with an improved fitting technique considering dilution and mixing. Our sample presents Carbon Enhanced Metal-Poor (CEMP) stars, some of which are promising true second generation (mono-enriched) stars. The unevolved, dwarf BD+09_2190 shows a mono-enriched signature which, combined with kinematical data, indicates that it moves in the outer halo and likely has been accreted onto the Milky Way early on. The Pop III progenitor was likely of 25.5M and 0.6 10^51erg (foe)/19.2M and 1.5foe in LTE/NLTE. Finally, we explore the predominant donor and formation site of the rapid and slow neutron-capture elements. Abridged

研究动机与目标

• 评估一维局部热动平衡（1D LTE）假设对单元素富集恒星中第一代恒星原恒星质量与爆发能量推断的影响。
• 评估三维（3D）和非局部热动平衡（NLTE）修正如何改变丰度模式及其在银河系化学演化中的解释。
• 通过约束稀释模型检验碳超丰（CEMP）恒星的单元素富集假说。
• 利用运动学与化学数据识别金属贫乏恒星中s-过程与r-过程元素的主要来源。
• 通过引入稀释约束拟合与多维模型大气，提升丰度输出比较的物理可靠性。

提出的方法

• 利用大型双子座望远镜上的高分辨率PEPSI光谱仪，对14颗金属贫乏恒星的32种元素（34种含上限）进行丰度测定。
• 以平面平行模型大气为基础，采用一维局部热动平衡（1D LTE）辐射转移作为基准，随后利用先进的原子数据对三维流体动力学与非局部热动平衡效应进行修正。
• 实施稀释约束拟合技术，以考虑第二代恒星中混合与稀释的影响，从而改进质量与能量估计。
• 通过卡方优化拟合与物理解析约束，将观测到的丰度模式与第三星族及AGB恒星的理论产出预测进行比较。
• 结合盖亚（Gaia）与径向速度的运动学数据，与化学模式共同追溯吸积历史与星场起源。
• 以C、O和Fe为关键示踪元素，在三维与非局部热动平衡条件下评估标准一维局部热动平衡分析中系统性偏差的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维（3D）与非局部热动平衡（NLTE）修正如何影响单元素富集恒星中第三星族超新星原恒星质量与爆发能量的推断？
• RQ2 在未约束与稀释约束拟合方法之间，对第一代恒星初始质量函数（IMF）的推断偏差程度如何？
• RQ3 样本中哪些恒星是真正的第二代、单元素富集恒星，其可能的起源是什么？
• RQ4 对于像TYC5481-00786-1这样的金属贫乏CEMP-s恒星，s-过程元素的主要供体是什么？
• RQ5 像BD-10_3742这样的恒星中r-过程贡献的性质是什么，其与‘金属贫乏太阳’HD20相比如何？

主要发现

• BD+09_2190被确认为一颗真实存在的第二代、单元素富集恒星，其运动学特征表明其在银河系早期即被吸积进入。
• 在局部热动平衡（LTE）条件下，推断BD+09_2190的第三星族原恒星质量为25.5 M⊙，能量为0.6 foe；在非局部热动平衡（NLTE）条件下，质量降至19.2 M⊙，能量升至1.5 foe。
• 三维（3D）与非局部热动平衡（NLTE）修正显著改变了丰度模式，尤其对C、O和Fe影响显著，表明一维局部热动平衡模型会引入系统性偏差。
• 在采用的产出模型下，CEMP-no恒星2MASS J0023不支持单元素富集假说，因此不被视为真正的第二代恒星。
• TYC5481-00786-1表现出良好的CEMP-s丰度模式，表明其由中等质量、金属丰度较高的AGB恒星富集。
• BD-10_3742表现出近乎纯r-过程的丰度模式，与基准恒星HD20高度一致，证实其作为清晰r-过程示踪星的角色。