[论文解读] Superbubbles as the source of 6Li, Be and B in the early Galaxy

E. Parizot, L. O’C. Drury|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文提出，由OB星协中反复爆发的超新星驱动的超泡（superbubbles）可解释早期星系晕星中6Li、Be和B的观测丰度。通过建模超泡内粒子的加速过程，作者表明高能粒子通过散裂反应产生这些轻元素，且通过不完全混合或选择性加速，将超新星遗迹（SNR）的能谱与观测结果调和一致，预测在Be/B与Fe/H的关系图中呈现稀释线行为，而非单调递增。

ABSTRACT

We investigate the spallative production of the light elements, Li, Be and B (LiBeB), associated with the evolution of a superbubble (SB) blown by repeated SNe in an OB association. It is shown that if about ten percent of the SN energy can power the acceleration of particles from the material inside the SB, the observed abundances of LiBeB in halo stars, as a function of O, can be explained in a fully consistent way over several decades of metallicity. In this model, the energetic particles (EPs) reflect the SB material, which is a mixing of the ejecta of previous SNe and of the swept-up ISM gas evaporated off the shell. We investigated two different energy spectra for the EPs: the standard cosmic ray source spectrum, or `SNR spectrum', and a specific `SB spectrum', as results from the SB acceleration mechanism of Bykov & Fleishman (1992). While the latter spectrum is more efficient in producing LiBeB, the SNR spectrum can be reconciled with the observational data if an imperfect mixing of the SN ejecta with the rest of the SB material and/or a selective acceleration is invoked (enhancing the C and O abundance amongst the EPs by a factor of ~ 6). One of the main consequences of our model is that the observed linear growth of Be and B abundances as a function of Fe/H expresses a dilution line rather than a continuous, monotonic increase of the metallicity. We propose an observational test of this feature. We also show that the recent 6Li observations in halo stars fit equally well in the framework of the SB model. Finally, we conjecture the existence of two sets of low-metallicity stars, differing in their Be/Fe or B/O abundance ratios, resulting from a `bimodal' LiBeB production in the Galaxy, namely from correlated (in SBs) or isolated SN explosions.

研究动机与目标

• 解释金属贫乏晕星中6Li、Be和B的观测丰度模式。
• 解决观测到的LiBeB丰度与标准宇宙射线散裂模型之间的差异。
• 研究超泡是否可作为早期星系中轻元素产生主导场所。
• 检验超泡模型与近期晕星中6Li测量结果的一致性。
• 探讨在超泡内相关联（相关联）与孤立超新星中产生LiBeB的双峰机制可能性。

提出的方法

• 模拟由OB星协中反复爆发超新星形成的超泡演化过程。
• 模拟超泡内部的粒子加速过程，假设10%的超新星能量用于粒子加速。
• 使用两种粒子能量谱：标准SNR（宇宙射线）谱和由Bykov & Fleishman (1992)推导出的特定“SB谱”。
• 追踪加速粒子与超泡内部混合物质（由超新星抛射物和吸积的ISM气体组成）之间的散裂反应。
• 考虑ISM气体从超泡壳层蒸发并混合入超新星抛射物的过程。
• 将模型预测与晕星中LiBeB丰度随氧和铁丰度变化的观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 超泡能否在金属丰度跨越多个数量级的金属贫乏晕星中，解释6Li、Be和B的观测丰度趋势？
• RQ2 加速粒子的“SB谱”是否比标准SNR谱更高效地产生LiBeB？
• RQ3 若考虑超新星抛射物与ISM物质的不完全混合或选择性加速（使高能粒子中C和O增强约6倍），标准SNR谱是否仍能与观测一致？
• RQ4 Be和B随Fe/H的线性增加是否反映连续的金属丰度上升，还是稀释过程？
• RQ5 是否存在两类不同金属丰度的低金属丰度恒星，其Be/Fe或B/O比值不同，表明其产生机制存在差异？

主要发现

• 当10%的超新星能量用于驱动超泡内粒子加速时，该模型成功再现了在广泛金属丰度范围内晕星中观测到的LiBeB丰度。
• Bykov & Fleishman (1992) 提出的“SB谱”在产生LiBeB方面比标准SNR谱更高效。
• 若假设超新星抛射物与ISM物质的不完全混合，或存在选择性加速（使高能粒子中C和O增强约6倍），标准SNR谱仍可与观测结果一致。
• 观测到的Be和B随Fe/H的线性增加被解释为稀释线行为，而非连续单调上升，这一结果提供了可检验的预测。
• 近期对晕星中6Li的观测结果可被超泡模型同样良好地解释。
• 该模型暗示低金属丰度恒星具有双峰起源，其Be/Fe或B/O比值因LiBeB是在超泡中产生还是由孤立超新星产生而不同。