[论文解读] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) XI. The highly $r$-process-enhanced star CS 29497-004

V. Hill, N. Christlieb+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 98被引用 52

一句话总结

本研究利用高分辨率VLT/UVES光谱和MARCS模型大气，在局部热动平衡（LTE）条件下，对极富含r-过程元素的恒星CS 29497-004进行了详细的丰度分析。结果确认该星的r-过程模式与太阳系第二峰r-过程一致，铀的丰度测量存在较大不确定性，基于理论生成比例推导出的平均年龄为12.2 ± 3.7 Gyr，U/Th核计时法得出的年龄为16.5 ± 6.6 Gyr，且对铅的检测结果与纯r-过程产出一致，具有初步探测意义。

ABSTRACT

We report an abundance analysis for the highly r-process-enhanced (r-II) star CS 29497-004, a very metal-poor giant with Teff = 5013K and [Fe/H]=-2.85, whose nature was initially discovered in the course of the HERES project. Our analysis is based on high signal-to-noise, high-resolution (R~75000) VLT/UVES spectra and MARCS model atmospheres under the assumption of local thermodynamic equilibrium, and obtains abundance measurements for a total of 46 elements, 31 of which are neutron-capture elements. As is the case for the other 25 r-II stars currently known, the heavy-element abundance pattern of CS 29497-004 well-matches a scaled Solar System second peak r-process-element abundance pattern. We confirm our previous detection of Th, and demonstrate that this star does not exhibit an "actinide boost". Uranium is also detected (log e(U) =-2.20+/-0.30), albeit with a large measurement error that hampers its use as a precision cosmo-chronometer. Combining the various elemental chronometer pairs that are available for this star, we derive a mean age of 12.2+/-3.7 Gyr using the theoretical production ratios from waiting-point approximation models (Kratz et al. 2007). We further explore the high-entropy wind model (Farouqi et al. 2010) production ratios arising from different neutron richness of the ejecta (Y_e), and derive an age of 13.7+/-4.4 Gyr for a best-fitting Y_e=0.447. The U/Th nuclei-chronometer is confirmed to be the most resilient to theoretical production ratios and yields an age of 16.5+:-6.6 Gyr. Lead (Pb) is also tentatively detected in CS 29497-004, at a level compatible with a scaled Solar r-process, or with the theoretical expectations for a pure r-process in this star.

研究动机与目标

• 确定极富含r-过程元素的恒星CS 29497-004的中子俘获元素丰度模式，该恒星为极金属贫的巨星，[Fe/H] = -2.85。
• 利用多种放射性同位素计时器（特别是钍和铀）评估该星的年龄，以约束宇宙年代学。
• 调查该星是否表现出‘锕系元素增强’（actinide boost）——即中子星并合等特定r-过程场所的特征信号。
• 检验观测到的重元素丰度模式与理论r-过程模型（包括不同中子丰富度（Ye）的高熵喷流模型）的一致性。

提出的方法

• 采用信噪比高、分辨率高（R ~ 75,000）的VLT/UVES光谱，测量了46种元素的丰度，包括31种中子俘获元素。
• 在局部热动平衡（LTE）假设下，使用MARCS模型大气推导元素丰度。
• 利用涵盖中子俘获元素的全面谱线列表，其超精细结构参数和振子强度来自多个文献来源。
• 通过多种同位素对（如Th、U、Pa）及等待点近似模型（Kratz et al. 2007）和高熵喷流模型（Farouqi et al. 2010）的理论生成比例进行宇宙年代学分析。
• 通过调节高熵喷流模型中的电子分数（Ye）来调整理论生成比例，以寻找最佳拟合年龄。
• 通过将观测丰度与纯r-过程的理论预期进行比较，对铅（Pb）进行初步探测评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 CS 29497-004的丰度模式是否与归一化的太阳系第二峰r-过程模式一致，从而确认其r-II分类？
• RQ2 该星是否表现出‘锕系元素增强’，表明其可能起源于中子星并合而非大质量恒星超新星爆发？
• RQ3 基于多种放射性同位素计时器，CS 29497-004的年龄是多少？不同理论生成模型如何影响结果？
• RQ4 在CS 29497-004中是否探测到铅（Pb）？其丰度是否与纯r-过程或太阳系r-过程产出一致？

主要发现

• CS 29497-004的重元素丰度模式与归一化的太阳系第二峰r-过程模式一致，确认其为r-II型恒星。
• 确认该星中存在钍，且未发现‘锕系元素增强’的证据，表明其r-过程起源可能不涉及中子星并合。
• 铀被探测到，其logε(U) = -2.20 ± 0.30，但较大的不确定性限制了其作为精确宇宙年代计时器的适用性。
• 基于等待点近似模型的理论生成比例，推导出CS 29497-004的平均年龄为12.2 ± 3.7 Gyr。
• 基于高熵喷流模型（Ye = 0.447）推导的年龄为13.7 ± 4.4 Gyr，与宇宙年龄范围的下限一致。
• U/Th核计时器得出最可靠的年龄估计为16.5 ± 6.6 Gyr，表明该星是目前已知最古老的天体之一。
• 铅（Pb）被初步探测到，其丰度水平与归一化的太阳系r-过程及该星纯r-过程的理论预期均相容。