[论文解读] Origin of the heavy elements in HD 140283. Measurement of europium abundance

C. Siqueira Mello, B. Barbuy+2 more|Scientific Electronic Library Online (São Paulo Research Foundation, Latin American and Caribbean Center on Health Sciences Information, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico)|Nov 4, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 24被引用 8

一句话总结

本研究利用加拿大国家凯普特拉望远镜（CFHT）获取的高分辨率、高信噪比光谱，测量了金属贫乏恒星HD 140283中的铕元素丰度，确认其慢中子俘获元素主要起源于r-过程。所得到的A(Eu) = -2.35 ± 0.07 dex和[Eu/Ba] = +0.58 ± 0.15 dex与强r-过程贡献一致，解决了先前钡同位素分析带来的矛盾。

ABSTRACT

HD 140283 is a nearby (V=7.7) subgiant metal-poor star, extensively analysed in the literature. Although many spectra have been obtained for this star, none showed a signal-to-noise (S/N) ratio high enough to enable a very accurate derivation of abundances from weak lines. The detection of europium proves that the neutron-capture elements in this star originate in the r-process, and not in the s-process, as recently claimed in the literature. Based on the OSMARCS 1D LTE atmospheric model and with a consistent approach based on the spectrum synthesis code Turbospectrum, we measured the europium lines at 4129 Å and 4205 Å, taking into account the hyperfine structure of the transitions. The spectrum, obtained with a long exposure time of seven hours at the Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT), has a resolving power of 81000 and a S/N ratio of 800 at 4100 Å. We were able to determine the abundance A(Eu)=-2.35 dex, compatible with the value predicted for the europium from the r-process. The abundance ratio [Eu/Ba]=+0.58 dex agrees with the trend observed in metal-poor stars and is also compatible with a strong r-process contribution to the origin of the neutron-capture elements in HD 140283.

研究动机与目标

• 为解决HD 140283中中子俘获元素起源的长期矛盾，特别是由钡同位素分析带来的相互冲突的解释。
• 提供HD 140283中铕元素丰度的可靠、高精度测量，作为r-过程的关键示踪指标。
• 检验r-过程或s-过程是否主导了该金属贫乏晕族次巨星中重元素的产生。
• 验证丰度比与理论r-过程预测及太阳系核合成模型的一致性。
• 提供一个经过严格误差分析的铕元素丰度，以解决先前1D LTE分析和基于同位素的解释带来的不确定性。

提出的方法

• 利用CFHT上的ESPaDOnS仪器，在七小时总积分时间内获取了HD 140283的高分辨率（R = 81,000）和高信噪比（4100 Å波长处S/N ≈ 800）光谱。
• 采用OSMARCS 1D LTE大气模型推导恒星参数，并通过Turbospectrum代码进行光谱合成，对4129 Å和4205 Å处的铕谱线进行超精细结构的完整处理。
• 使用一致的原子数据，包括H、He和H₂引起的范德华展宽效应，并应用NLTE修正以验证LTE结果的稳健性。
• 将新的铕元素丰度与Gallagher等人（2010, 2012）先前测量的钡元素丰度相结合，计算[Eu/Ba]比值。
• 将推导出的[Eu/Ba]比值与理论r-过程和s-过程丰度比值（例如Simmerer等人，2004年）进行比较，以评估相对贡献。
• 对[Eu/Ba]比值进行误差分析，并估算钡元素中s-过程的贡献，考虑铕和钡丰度的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 140283中的铕元素丰度是否支持标准核合成模型预测的r-过程起源？
• RQ2 HD 140283中测量的[Eu/Ba]比值与纯r-过程和s-过程贡献的理论预测相比如何？
• RQ3 高精度的铕元素丰度能否解决钡同位素比值（暗示100% s-过程）与HD 140283低金属量（暗示r-过程主导）之间的明显矛盾？
• RQ4 在假设铕主要由r-过程产生且已知[Eu/Ba]比值的前提下，钡元素中s-过程的定量贡献是多少？
• RQ5 先前基于同位素分析的矛盾是由于1D LTE建模的局限性所致，还是表明标准r-过程范式存在根本性缺陷？

主要发现

• 利用高分辨率、高信噪比光谱，测得HD 140283中铕元素丰度为A(Eu) = -2.35 ± 0.07 dex，这是迄今为止最精确的测定结果。
• 推导出的[Eu/Ba]丰度比为+0.58 ± 0.15 dex，与其它金属贫乏恒星中观察到的趋势以及r-过程主导的核合成模式高度一致。
• [Eu/Ba]比值与强r-过程贡献和少量s-过程成分一致，基于误差传播分析，s-过程对钡元素丰度的贡献最多为23.9%。
• 结果支持r-过程是HD 140283中中子俘获元素的主要起源，与基于钡同位素分析得出的100% s-过程贡献的结论相矛盾。
• 本研究证实了新铕元素丰度与先前钡元素测量结果的一致性，联合[Eu/Ba] = +0.60 ± 0.13 dex，处于Gallagher等人（2010）设定的+0.66 dex上限之内。
• NLTE修正对本星中铕元素的修正量较小，进一步证实了基于LTE的丰度测定结果的可靠性。