[论文解读] Short-Lived Radionuclides in Meteorites and the Sun's Birth Environment

Steven J. Desch, Edward Young+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

这篇论文表明，像 $^{26}$Al、$^{53}$Mn、$^{182}$Hf，尤其是 $^{10}$Be 这样的短寿命放射性核素（SLRs）在太阳星云中是均匀分布的，表明它们源自太阳诞生时的分子云，而非在本地产生。$^{10}$Be 的均匀性——与大多数 SLRs 不同——要求太阳形成于银河系高恒星形成率的旋臂中，大质量恒星，特别是沃尔夫-拉叶星，可能在数千万年内持续向该云注入 SLRs。

ABSTRACT

The solar nebula contained a number of short-lived radionuclides (SLRs) with half-lives of tens of Myr or less, comparable to the timescales for formation of protostars and protoplanetary disks. Therefore, determining the origins of SLRs would provide insights into star formation and the Sun's astrophysical birth environment. In this chapter, we review how isotopic studies of meteorites reveal the existence and abundances of these now-extinct radionuclides; and the evidence that the SLR ${}^{10}{ m Be}$, which uniquely among the SLRs is not produced during typical stellar nucleosynthesis, was distributed homogeneously in the solar nebula. We review the evidence that the SLRs ${}^{26}{ m Al}$, ${}^{53}{ m Mn}$, and ${}^{182}{ m Hf}$, and other radionuclides, were also homogeneously distributed and can be used to date events during the Solar System's planet-forming epoch. The homogeneity of the SLRs, especially ${}^{10}{ m Be}$, strongly suggests they were all inherited from the Sun's molecular cloud, and that production by irradiation within the solar nebula was very limited, except for ${}^{36}{ m Cl}$. We review astrophysical models for the origin of ${}^{10}{ m Be}$, showing that it requires that the Sun formed in a spiral arm of the Galaxy with higher star formation rate than the Galaxy-wide average. Likewise, we review the astrophysical models for the origins of the other SLRs and show that they likely arose from contamination of the Sun's molecular cloud by massive stars over tens of Myr, most likely dominated by ejecta from Wolf-Rayet stars. The other SLRs also demand formation of the Sun in a spiral arm of the Galaxy with a star formation rate as high as demanded by the Solar System initial ${}^{10}{ m Be}$ abundance. We discuss the astrophysical implications, and suggest further tests of these models and future directions for the field.

研究动机与目标

• 确定陨石中短寿命放射性核素（SLRs）的起源及其对太阳诞生环境的启示。
• 评估像 $^{10}$Be、$^{26}$Al、$^{53}$Mn 和 $^{182}$Hf 这样的 SLRs 是否在太阳星云形成时在其中均匀分布。
• 检验 SLRs 是源自太阳分子云的继承，还是通过原行星盘中的辐照作用产生的。
• 约束产生观测到的 SLR 含量所需的天体物理条件——特别是恒星形成率和银河系中的位置。
• 识别未来陨石学和天体物理学测量，以检验当前 SLR 源头和分布的模型。

提出的方法

• 通过内部等时线法对陨石钙铝钙钛氧化物（CAIs）和其他早期太阳系固体进行同位素分析，测量初始 SLR 含量，特别是利用 $^{26}$Mg/$^{24}$Mg 测定 $^{26}$Al，以及 $^{10}$Be/$^9$Be 测定 $^{10}$Be。
• 在单一样品中使用多种计时法（Pb-Pb、Al-Mg、Mn-Cr、Cl-S、Hf-W）以检验同位素均匀性并交叉校准时间。
• 对大质量恒星，特别是沃尔夫-拉叶星，进行 SLR 生成建模，并通过超新星爆发和恒星风将这些核素注入分子云。
• 利用银河系化学演化模型估算太阳诞生环境中所需恒星形成率和 SLR 空间分布。
• 将扩散系数和更新后的半衰期（如 $^{107}$Pd、$^{53}$Mn）纳入计时模型，以提高年龄测定的精确度。
• 将模型预测与银河系中观测到的 $^{26}$Al 和 $^{60}$Fe $γ$ 射线发射图进行比较，以验证 SLR 注入情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 作为唯一不在标准核合成中产生的 SLR，$^{10}$Be 是否在太阳星云中均匀分布？这对其起源意味着什么？
• RQ2 产生太阳星云中观测到的初始 $^{10}$Be 含量所需的天体物理条件——特别是恒星形成率和银河系中的位置——是什么？
• RQ3 其他 SLRs 如 $^{26}$Al、$^{53}$Mn 和 $^{182}$Hf 在多大程度上是均匀分布的？这对其通过太阳分子云污染起源意味着什么？
• RQ4 如何通过单个陨石样品中多种计时法（如 Al-Mg、Cl-S、Pb-Pb）的协同同位素测量解决分歧并检验非均匀性？
• RQ5 银河系宇宙射线和局部辐照在 $^{36}$Cl 生成中起到什么作用？这与其他 SLRs 的起源有何不同？

主要发现

• 陨石的同位素数据显示，$^{10}$Be 在太阳星云中均匀分布，强烈表明其源自太阳分子云的继承，而非原位生成。
• $^{10}$Be 的初始丰度要求太阳形成于银河系旋臂中，其恒星形成率显著高于银河系平均值，与约 200 Myr 的云驻留时间一致。
• 在多个陨石样品中，$^{26}$Al、$^{53}$Mn、$^{182}$Hf 及其他 SLRs 的均匀性支持其共同起源于大质量恒星（尤其是沃尔夫-拉叶星）在数千万年内持续污染太阳分子云。
• 数据排除了大多数 SLRs 在太阳星云中显著原位生成的可能性，仅 $^{36}$Cl 可能是在盘消散期间通过辐照作用形成的。
• 所需的恒星形成率和 SLR 注入 timescale 与以沃尔夫-拉叶星喷出物为主导的模型一致，而非超新星或渐近巨星分支恒星。
• 对 $^{135}$Cs/$^{133}$Cs 和 $^{107}$Pd/$^{108}$Pd 比值的更严格约束，可为分子云的持续自富集模型提供严格检验。