[论文解读] Testing the Primary Origin of Be and B in the Early Galaxy

E. Vangioni–Flam, R. Ramaty+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 11

一句话总结

本文检验了银河系早期的铍（Be）和硼（B）是否主要由大质量恒星（M > 60 M☉）的超新星爆发或所有II型超新星（M > 8 M☉）产生。论文提出，根据正确的情景不同，Be/Fe比值的演化将呈现不同特征：若所有II型超新星均有贡献，则比值保持恒定；若仅最 massive 的恒星参与，则在极低金属度时比值会增强。关键结果表明，[Fe/H] ≤ -3 的高精度观测可区分这两种模型，并可能无需引入非均匀的原初核合成来解释Be/B丰度中可能存在的平台现象。

ABSTRACT

Two types of models have been proposed to explain the linear rise of the Be and B abundances as a function of iron observed in metal poor halo stars. In both cases, this linearity indicates that freshly synthesized C and O are accelerated by Type II supernovae and subsequently fragmented into Be and B. One mechanism advocates shock acceleration in the gaseous phase of superbubbles excavated by collective SNII explosions. Because of their short lifetimes, only the most massive stars (with an initial mass greater than 60\msun) do not drift out of superbubbles, and participate in BeB production. The second mechanism is based on the acceleration of the debris of grains formed in the ejecta of all SNIIs (originating from stars with initial mass greater than 8\msun). Here again, fresh C and O are sped up to cosmic ray energies by shocks. We propose a possible test to discriminate between the two scenarios. If supernovae of all masses are involved in BeB production, the Be/Fe ratio is constant, since both elements are produced in the same events. Alternatively, when only the most massive stars are involved in Be production, Be/Fe is enhanced at very early times because of the shorter lifetimes of these stars. This predicted difference in the behavior of Be/Fe could be tested by high quality observations at [Fe/H] $\lsim -3$. We also note that the solution invoking only the most massive supernovae mimics a flat evolution of both Be/H and B/H as a function of Fe/H at low metallicity, and could thus resemble a "plateau" for these elements despite a lack of a primordial Big Bang nucleosynthesis origin. Consequently, there may be no need to invoke inhomogeneous Big Bang models to explain the initial production of BeB should a plateau be discovered.

研究动机与目标

• 检验金属贫金属晕星中 Be 和 B 的起源是否来自超新星爆发中碳和氧在超级泡中的激波加速，或来自 SNeII 爆发物中尘埃碎片的加速。
• 解决金属贫金属星中 Be 和 B 丰度随铁丰度线性上升的模糊性。
• 提出一个可检验的观测标准——低金属度下 Be/Fe 比值的演化——以区分两种竞争的产生机制。
• 评估在低金属度下 Be/H 和 B/H 丰度的平台现象是否可由原初起源解释，而无需引入非均匀的原初核合成。

提出的方法

• 在两种情景下建模 Be/Fe 比值：(1) 仅最 massive 的 SNeII（M > 60 M☉）参与 Be 的产生，(2) 所有 SNeII（M > 8 M☉）均参与。
• 利用大质量恒星的差异性寿命，预测仅最 massive 的 SNeII 在星系演化早期产生 Be。
• 计算预期的 Be/Fe 比值随 [Fe/H] 的演化，若仅高质质量 SNeII 参与，则在 [Fe/H] ≤ -3 时出现增强。
• 将预测的 Be/Fe 行为与观测数据对比，以检验两种模型。
• 评估在低金属度下 Be/B 丰度的“平台”现象是否可由原初起源解释，而无需引入非均匀的原初核合成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 [Fe/H] ≤ -3 时，Be/Fe 比值是否能区分仅最 massive 的 SNeII 产生 Be 与所有 SNeII 产生 Be 的情景？
• RQ2 在低金属度下，Be/H 和 B/H 丰度的平台现象是否可由 SNeII 中的原初起源解释，而无需引入非均匀的原初核合成？
• RQ3 在金属贫金属星中观察到的 Be 和 B 随铁丰度线性上升的现象，是否与超级泡中的激波加速或尘埃碎片加速一致？
• RQ4 大质量恒星的差异性寿命如何影响早期银河系中 Be 和 B 产生的时序？
• RQ5 在仅最 massive 的 SNeII 产生 Be 的情景中，Be/Fe 比值的何种观测特征可证实或排除该情景？

主要发现

• 若仅最 massive 的 SNeII（M > 60 M☉）产生 Be，则由于其寿命短，Be/Fe 比值在极低金属度（[Fe/H] ≤ -3）时会增强。
• 若所有 SNeII（M > 8 M☉）均参与 Be 的产生，则 Be/Fe 比值在不同金属度下保持近似恒定。
• Be/Fe 比值的演化为区分两种 Be 产生机制提供了清晰的观测检验标准。
• 仅最 massive 的 SNeII 参与的模型可模拟出 Be/H 和 B/H 随 Fe/H 变化的平台现象，即使不依赖原初核合成。
• 若 Be 主要由大质量 SNeII 产生，则在低金属度下 Be/B 丰度的平台现象可能无需引入非均匀的原初核合成。