[论文解读] Systematic and correlated nuclear uncertainties in the i-process at the neutron shell closure N = 82

Michael Bertolli, Falk Herwig+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Nuclear physics research studies参考文献 3被引用 15

一句话总结

本研究量化了在中子幻数壳层闭合处N=82的i过程中的系统性与相关性核不确定性，表明忽略相关性会将最终丰度不确定性的估计值低估高达两个数量级。通过在多个模型中使用蒙特卡洛方法传播哈泽尔-费什巴赫反应速率不确定性，研究发现Ba、La和Eu的比值——这些是识别CEMP-r/s星的关键——对核模型选择极为敏感，[La/Eu]的变化达0.5 dex，[Ba/La]的变化最高可达1 dex，具体取决于所采用的模型。

ABSTRACT

Nuclear astrophysics simulations aiming to study the origin of the elements in stars require a multitude of nuclear physics input. Both systematic model dependent and statistically correlated uncertainties need to be considered. An application where realistic uncertainty assessments are especially important is the intermediate neutron capture process or i process: a neutron capture regime with neutron densities intermediate between the slow and rapid processes. Accordingly, the main network flux proceeds on the neutron-rich unstable isotopes up to 4-5 species off the valley of stability. The i process has been clearly identified to be active in post-AGB stars during the Very Late Thermal Pulse H-ingestion event, and a recent work infers about its important role in early generations of stars. Here we demonstrate the effect of propagating systematic nuclear uncertainties from different theoretical models to final abundances for a region around the 2$^\mathrm{nd}$ peak at $A-Z=80$ for elemental ratio predictions involving Ba, La and Eu in i-process conditions. These elements are used to distinguish different n-capture contributions observed in low-metallicity stars. For the simple 1-zone model adopted here, predictions vary as much as a factor of 22 in on possible observational plane ([La/Eu] vs. [Ba/La]). To consider statistically correlated uncertainties, we similarly perform a full nuclear physics uncertainty study within a given Hauser-Feshbach model and demonstrate the role of correlations on the final stellar abundance uncertainties. We show that in i-process conditions the main result of neglecting correlations is to underestimate the impact of nuclear uncertainties on the final nucleosynthesis yields by as much as two orders of magnitude. (continued in document)

研究动机与目标

• 评估系统性与相关性核不确定性对N=82壳层附近i过程核合成产额的影响。
• 确定在反应速率中忽略相关性如何导致对恒星模拟中最终丰度不确定性的低估。
• 评估关键元素比值（[Ba/La]、[La/Eu]）对i过程条件下不同哈泽尔-费什巴赫反应速率模型的敏感性。
• 量化中子捕获速率不确定性在塑造CEMP-r/s星观测丰度分散中的作用。
• 通过将来自核物理模型的真实、相关不确定性传播至天体物理结果，提高i过程预测的可靠性。

提出的方法

• 采用一区域流体动力学模型，模拟在极晚期热脉动H-吸积事件期间的i过程条件。
• 通过恒星反应网络使用蒙特卡洛方法传播核不确定性，起始于CoH3哈泽尔-费什巴赫代码中的参数不确定性。
• 比较三种不同哈泽尔-费什巴赫反应速率模型（NON-SMOKER、TALYS和CoH3）的结果，以评估系统性模型依赖性。
• 通过同时变化22个中子捕获速率，执行统计不确定性传播，同时考虑未相关与相关不确定性。
• 计算最终产额中的元素丰度比值[Ba/La]、[La/Eu]和[Ba/Eu]，并与低金属丰度恒星的观测结果进行比较。
• 通过对比不确定性传播框架中未相关与完全相关速率变化的结果，分析相关性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 哈泽尔-费什巴赫反应速率模型之间的系统性差异如何影响A≈80附近的i过程预测产额？
• RQ2 中子捕获速率中的核不确定性相关性在多大程度上影响Ba、La和Eu的最终丰度不确定性？
• RQ3 为何在反应速率不确定性中忽略相关性对i过程建模和观测比较具有问题？
• RQ4 不同核模型预测的[Ba/La]和[La/Eu]比值与CEMP-r/s星观测到的丰度分散相比如何？
• RQ5 相关不确定性对N=82处i过程核合成产额不确定性预算的定量影响是什么？

主要发现

• 在i过程条件下，忽略反应速率中的相关性会使最终丰度不确定性的估计值低估高达两个数量级。
• 对于接近N=82壳层闭合的核素，当包含相关性时，最终Cs丰度的不确定性达到3.5倍，而未相关时仅为6×10⁻³倍。
• [La/Eu]比值在不同哈泽尔-费什巴赫模型之间变化约0.5 dex，表明i过程预测具有显著的模型依赖性。
• [Ba/La]比值的不确定性最高可达1 dex，具体取决于反应速率模型的选择，凸显对核输入的高度敏感性。
• 使用NON-SMOKER速率时，i过程产额与观测到的CEMP-r/s星范围重叠，表明许多此类恒星可能更适合归类为CEMP-i星。
• Te和I的最终丰度对核不确定性表现出可忽略的敏感性，表明它们在探测低金属丰度恒星中i过程特征方面作用有限。