[论文解读] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) IV. Detailed abundance analysis and age dating of the strongly r-process enhanced stars CS 29491-069 and HE 1219-0312

Wolfgang Hayek, U. Wiesendahl+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 74被引用 46

一句话总结

本研究利用高分辨率VLT/UVES光谱和MARCS模型大气，对两颗强r-过程增强的极低金属量恒星——CS 29491-069和HE 1219-0312——进行了详细的丰度分析。结果表明，这两颗恒星的重元素模式与缩放后的太阳残余丰度及高熵喷流（HEW）r-过程模型高度一致，但HE 1219-0312的年龄测年结果因钍和重元素的过量而失败，提示可能存在‘锕系元素增强’现象。

ABSTRACT

We report on a detailed abundance analysis of two strongly r-process enhanced, very metal-poor stars newly discovered in the HERES project, CS 29491-069 ([Fe/H]=-2.51, [r/Fe]=+1.1) and HE 1219-0312 ([Fe/H]=-2.96, [r/Fe]=+1.5). The analysis is based on high-quality VLT/UVES spectra and MARCS model atmospheres. We detect lines of 15 heavy elements in the spectrum of CS 29491-069, and 18 in HE 1219-0312; in both cases including the Th II 4019 Å line. The heavy-element abundance patterns of these two stars are mostly well-matched to scaled solar residual abundances not formed by the s-process. We also compare the observed pattern with recent high-entropy wind (HEW) calculations, which assume core-collapse supernovae of massive stars as the astrophysical environment for the r-process, and find good agreement for most lanthanides. The abundance ratios of the lighter elements strontium, yttrium, and zirconium, which are presumably not formed by the main r-process, are reproduced well by the model. Radioactive dating for CS 29491-069 with the observed thorium and rare-earth element abundance pairs results in an average age of 9.5 Gyr, when based on solar r-process residuals, and 17.6 Gyr, when using HEW model predictions. Chronometry seems to fail in the case of HE 1219-0312, resulting in a negative age due to its high thorium abundance. HE 1219-0312 could therefore exhibit an overabundance of the heaviest elements, which is sometimes called an "actinide boost".

研究动机与目标

• 确定两颗新发现的r-过程增强、极低金属量恒星中重元素的详细丰度模式。
• 评估在极端r-过程增强的恒星中，Th/Eu测年计的可靠性。
• 将观测到的丰度比与高熵喷流（HEW）r-过程模型的理论r-过程产额进行比较。
• 研究类似HE 1219-0312的恒星中，重元素（特别是第三r-过程峰，即锕系元素）增强的天体物理起源。
• 评估基于不同元素对推导出的年龄估计值之间差异的含义，对恒星测年法的可靠性进行评估。

提出的方法

• 获取了CS 29491-069和HE 1219-0312的高分辨率、高信噪比VLT/UVES光谱。
• 使用MARCS模型大气对CS 29491-069中的15种元素和HE 1219-0312中的18种元素进行了详细的光谱丰度分析，包括4019 Å处的Th II。
• 将观测到的丰度比与太阳残余丰度及高熵喷流（HEW）r-过程模型的理论产额进行比较。
• 基于太阳r-过程残余物和HEW模型预测，利用Th/Eu和Th/Ce对计算放射性衰变年龄。
• 评估观测丰度与HEW模型预测的一致性，特别是对Sr、Y、Zr和镧系元素的匹配程度。
• 利用²³²Th（τ₁/₂ = 14.05 Gyr）的衰变计算年龄，并通过多个元素对的比较评估测年结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CS 29491-069和HE 1219-0312的观测丰度模式是否与r-过程的预测产额一致，特别是在第三峰（锕系元素）区域？
• RQ2 为何在HE 1219-0312中Th/Eu测年计失效，导致负年龄估计？
• RQ3 近期的高熵喷流（HEW）r-过程模型在多大程度上再现了这些恒星中重元素的观测丰度比？
• RQ4 不同元素对之间年龄估计值的差异对r-II型恒星中核素测年法的可靠性有何启示？
• RQ5 是否可能存在对最重r-过程元素（如Th、U）的选择性增强，提示存在不同的天体物理场所或过程，例如‘锕系元素增强’？

主要发现

• CS 29491-069的丰度模式与缩放后的太阳残余丰度及HEW模型对大多数镧系元素的预测高度一致。
• HE 1219-0312表现出钍和重元素的显著过量，导致使用Th/Eu对时得出负年龄估计，提示可能存在‘锕系元素增强’。
• 基于太阳r-过程残余物的放射性测年得到CS 29491-069的平均年龄为9.5 Gyr，而HEW模型预测为17.6 Gyr。
• HEW模型较好地再现了Sr、Y和Zr的观测丰度比，但高估了其绝对丰度，提示可能存在不完全喷射或物质回落。
• HE 1219-0312中Pd丰度的不匹配进一步支持了不完全喷射或多种超新星类型贡献的可能性。
• 不同元素对之间年龄估计值的显著离散性证实，恒星测年必须依赖多个丰度比才能保证可靠性。