[论文解读] r-Process Abundance Signatures in Metal-Poor Halo Stars

J. J. Cowan, Ian U. Roederer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本研究利用改进的实验室原子数据，对贫金属晕星中的中子俘获元素进行了新的高精度丰度测量，特别是BD+17°3248。研究发现，在最富含r-过程元素的恒星中，重元素（Z ≥ 56）的丰度与归一化的太阳系r-过程模式一致，而较轻的中子俘获元素（如Cd、Lu、Os）则出现偏离，表明早期银河系中中子俘获元素可能涉及多种合成机制。

ABSTRACT

Abundance observations indicate the presence of rapid-neutron capture (i.e., r-process) elements in old Galactic halo and globular cluster stars. Recent observations of the r-process-enriched star BD +17 3248 include new abundance determinations for the neutron-capture elements Cd I (Z=48), Lu II (Z = 71) and Os II (Z = 76), the first detections of these elements in metal-poor r-process-enriched halo stars. Combining these and previous observations, we have now detected 32 n-capture elements in BD +17 3248. This is the most of any metal-poor halo star to date. For the most r-process-rich (i.e. [Eu/Fe] ~= 1) halo stars, such as CS 22892-052 and BD +17 3248, abundance comparisons show that the heaviest stable n-capture elements (i.e., Ba and above, Z >= 56) are consistent with a scaled solar system r-process abundance distribution. The lighter n-capture element abundances in these stars, however, do not conform to the solar pattern. These comparisons, as well as recent observations of heavy elements in metal-poor globular clusters, suggest the possibility of multiple synthesis mechanisms for the n-capture elements. The heavy element abundance patterns in most metal-poor halo stars do not resemble that of CS 22892-052, but the presence of heavy elements such as Ba in nearly all metal-poor stars without s-process enrichment indicates that r-process enrichment in the early Galaxy is common.

研究动机与目标

• 利用更新的实验室原子数据，提高贫金属晕星中中子俘获元素丰度测定的精度。
• 研究古老晕星中观测到的r-过程元素丰度模式是否与单一、普遍的r-过程机制一致。
• 确定较轻中子俘获元素（Z < 56）的起源，这些元素不遵循太阳r-过程模式，可能来自替代过程。
• 通过分析多个贫金属恒星和球状星团的丰度模式，评估r-过程在早期银河系中丰度的普遍性。
• 识别出进一步开展高分辨率紫外光谱观测和改进核数据的必要性，以约束r-过程源模型。

提出的方法

• 利用实验室实验新测量的32种中子俘获元素（包括Cd I、Lu II、Os II）的跃迁概率，以优化恒星丰度测定。
• 将r-过程富集恒星（如BD+17°3248、CS 22892-052）中的元素丰度归一化至铕（Eu），以便与太阳系r-过程丰度分布直接比较。
• 利用地面和哈勃空间望远镜仪器（如STIS、COS）的高分辨率光谱，探测贫金属恒星中微弱的谱线，特别是在紫外波段。
• 采用归一化的太阳系r-过程丰度模型（Arlandini et al. 1999；Simmerer et al. 2004）作为参考模式，与观测到的恒星丰度进行比较。
• 分析r-过程峰（Ba及以上）和r-过程峰间区域（Z ≈ 56–80）的丰度趋势，以识别与标准r-过程的一致性或偏离。
• 通过将观测到的轻中子俘获元素丰度与预测值比较，评估弱r-过程、ν-p过程、LEPP等替代核合成过程的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在富含r-过程的晕星中，重中子俘获元素（Z ≥ 56）的丰度是否与归一化的太阳系r-过程模式一致？
• RQ2 为何富含r-过程的恒星中较轻中子俘获元素（如Cd、Pd、Ag、Zr）的丰度偏离太阳r-过程模式？
• RQ3 r-过程是否是所有贫金属晕星中中子俘获元素的主要来源，还是需要多种核合成机制？
• RQ4 通过不同金属丰度和$[Eu/Fe]$的恒星中r-过程元素的存在，r-过程丰度在早期银河系中有多普遍？
• RQ5 观测到的丰度模式对r-过程天体物理源（特别是核心坍缩超新星与中子星并合）有何启示？

主要发现

• BD+17°3248现已成为在任何贫金属晕星中检测到最多中子俘获元素的恒星，共识别出32种元素，超过此前由CS 22892-052保持的记录。
• 在富含r-过程的恒星（如BD+17°3248、CS 22892-052）中，重中子俘获元素（Z ≥ 56，包括Ba和Hf）的丰度与归一化的太阳系r-过程丰度分布一致，且在不同恒星间散度极小。
• 较轻的中子俘获元素（如Cd I，Z = 48；Lu II，Z = 71；Os II，Z = 76）与太阳r-过程模式存在显著偏离，表明主r-过程本身无法解释其生成。
• 观测到的轻中子俘获元素丰度模式表明，可能存在来自弱r-过程、LEPP、ν-p过程或核心坍缩超新星中带电粒子反应等额外过程的贡献。
• 几乎所有贫金属晕星中均存在Ba等r-过程元素，无论其s-过程丰度如何，表明r-过程事件在早期银河系中非常普遍。
• 贫金属球状星团和晕星中的丰度模式呈现出从r-过程贫乏（如HD 122563）到r-过程富集（如CS 22892-052）的连续分布，表明r-过程产量存在差异，可能对应多种天体物理源。