[论文解读] Silicon and Strontium abundances of very metal-poor stars determined from near-infrared spectra

Wako Aoki, Timothy C. Beers+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用 8

一句话总结

本研究利用昴宿望远镜IRD仪器获取的高分辨率近红外光谱，测定六颗极低金属丰度恒星中的硅和锶丰度。研究从26条谱线中获得了可靠的硅丰度，发现所有恒星的[Si/Fe] ≈ +0.5，除一颗碳增强恒星外，[Mg/Si]比值保持一致；对四颗恒星测定了锶丰度，其中包括两次首次测定，近红外与光学结果初步一致。

ABSTRACT

Silicon and Strontium are key elements to explore the nucleosynthesis and chemical evolution of the Galaxy by measurements of very metal-poor stars. There are, however, only a few useful spectral lines of these elements in the optical range that are measurable for such low-metallicity stars. Here we report on abundances of these two elements determined from near-infrared high-resolution spectra obtained with the Subaru Telescope Infrared Doppler instrument (IRD). Si abundances are determined for as many as 26 Si lines for six very and extremely metal-poor stars (-4.0<[Fe/H]<-1.5), which significantly improves the reliability of the abundance measurements. All six stars, including three carbon-enhanced objects, show over-abundances of Si ([Si/Fe]~+0.5). Two stars with [Fe/H]~-1.5 have relatively small over-abundances. The [Mg/Si] ratios agree with the solar value, except for one metal-poor star with carbon excess. Strontium abundances are determined from the triplet lines for four stars, including two for the first time. The consistency of the Sr abundances determined from near-infrared and optical spectra require further examination from additional observations.

研究动机与目标

• 通过利用近红外（NIR）谱线，提高极低金属丰度（VMP）恒星中硅丰度测量的可靠性。
• 利用近红外谱线测定VMP恒星中的锶丰度，特别是对光学谱线过强或不可用的恒星。
• 评估由近红外和光学光谱得出的锶丰度之间的一致性。
• 利用高精度丰度比值，研究早期银河系化学演化中硅和锶的核合成起源。
• 将[Mg/Si]比值作为超新星前身星质量及早期银河系富集过程的探针。

提出的方法

• 利用昴宿望远镜红外多普勒（IRD）仪器，对六颗[Fe/H] < −1.5的VMP恒星获取高分辨率近红外光谱。
• 在1000–1700 nm波段测量26条Si I线和12条Sr II线的等效宽度，重点关注中等到强的谱线。
• 使用合成光谱进行谱线拟合，以推导元素丰度，大气参数（Teff, log g, [Fe/H], vturb）来自文献或本研究更新。
• 使用太阳参考值校准丰度：log ε⊙(Si) = 7.51 和 log ε⊙(Sr) = 2.87。
• 将近红外谱线结果与以往光学测量结果进行比较，以评估一致性并改进不确定度估计。
• 使用误差传播和谱线间离散度估计丰度不确定度，报告每颗恒星的N和σN−1/2。

实验结果

研究问题

• RQ1 近红外光谱能否比光学光谱更可靠、更精确地测定VMP恒星中的硅丰度？
• RQ2 六颗VMP恒星的[Si/Fe]和[Mg/Si]丰度比是多少？与太阳值及以往研究相比有何差异？
• RQ3 能否可靠地利用近红外三重线测定VMP恒星中的锶丰度，特别是在金属丰度较高或锶过量的恒星中？
• RQ4 对同一颗恒星，由近红外和光学光谱得出的锶丰度一致性如何？
• RQ5 硅和锶的丰度模式对早期银河系核合成过程有何启示？

主要发现

• 从六颗VMP恒星的26条独立谱线中确定了硅丰度，相比以往仅依赖两条光学谱线的研究，显著提高了测量可靠性。
• 所有六颗恒星（包括三颗碳增强恒星）均表现出硅的过量，[Si/Fe] ≈ +0.5，表明其丰度来自大质量恒星或核心塌缩超新星的持续富集。
• 除一颗碳增强恒星（J2217+2104）外，其余恒星的[Mg/Si]比值与太阳值一致，该星[Mg/Si] = 1.46，提示核合成产物可能存在偏离。
• 利用近红外三重线对四颗恒星的锶丰度进行了推导，其中两颗恒星（HD 4306 和 HD 25329）的锶丰度为本研究首次测定。
• 由近红外和光学光谱得出的锶丰度初步一致，但需进一步观测以确认该一致性。
• 硅的平均丰度不确定度为σ ≈ 0.04–0.13 dex，其中HD 201626的不确定度最低（0.019 dex），因其有44条可测量谱线。