[论文解读] The i-process and CEMP-r/s stars

Laurent Dardelet, Christian Ritter+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 14被引用 12

一句话总结

本文提出，i-过程——在中等中子密度下的核合成——比标准的s-和r-过程叠加模型更能解释某些CEMP-r/s型恒星（如CS 31062-050）中异常的元素丰度模式。通过优化中子密度和暴露量的一 zone i-过程模拟，成功再现了从Y到Ir的观测重元素丰度，误差在观测范围内，表明这些恒星可能是i-过程的发生场所，尽管核物理不确定性以及GOSH等3D流体动力学效应限制了预测的准确性。

ABSTRACT

We investigate whether the anomalous elemental abundance patterns in some of the C-enhanced metal-poor-s+r (CEMP-r/s) stars are consistent with predictions of nucleosynthesis yields from the i-process, a neutron-capture regime at neutron densities intermediate between those typical for the slow (s) and rapid (r) processes. Conditions necessary for the i-process are expected to be met at multiple stellar sites, such as the He-core and He-shell flashes in low-metallicity low-mass stars, super-AGB and post-AGB stars, as well as low-metallicity massive stars. We have found that single-exposure one-zone simulations of the i-process reproduce the abundance patterns in some of the CEMP-r/s stars much better than the model that assumes a superposition of yields from s- and r-process sources. Our previous study of nuclear data uncertainties relevant to the i-process revealed that they could have a significant impact on the i-process yields obtained in our idealized one-zone calculations, leading, for example, to ~0.7dex uncertainty in our predicted [Ba/La] ratio. Recent 3D hydrodynamic simulations of convection driven by a He-shell flash in post-AGB Sakurai's object have discovered a new mode of non-radial instabilities: the Global Oscillation of Shell H-ingestion. This has demonstrated that spherically symmetric stellar evolution simulations cannot be used to accurately model physical conditions for the i-process.

研究动机与目标

• 检验i-过程是否能更好地再现CEMP-r/s型恒星中观测到的元素丰度模式，特别是那些具有高[hs/ls]和低[La/Eu]比值的恒星，这些特征对标准的s-和r-过程叠加模型构成挑战。
• 评估核物理不确定性对i-过程产物的影响，特别是对[Ba/La]和[La/Eu]等关键同位素比值的影响。
• 评估近期对Sakurai星中H-吸积的3D流体动力学模拟结果对i-过程建模的启示。
• 确定单区域i-过程模拟是否能定量匹配CEMP-r/s型恒星中观测到的重元素丰度（Y至Ir）。

提出的方法

• 使用NuGrid PPN代码进行了一 zone、恒温、恒密度的i-过程模拟，假设T = 2×10⁸ K和ρ = 10⁴ g cm⁻³，以模拟氦壳层闪光驱动的对流区条件。
• 通过调节中子密度（Nₙ ≈ 10¹⁵ cm⁻³）和暴露量（10–50 mbarn⁻¹），使模拟结果与CS 31062-050等CEMP-r/s型恒星的观测丰度模式相匹配。
• 初始丰度按太阳系值缩放至Z = 10⁻³，碳和氧的丰度按He PDCZ条件调整（X¹²C = 0.5，X¹⁶O = 0.05），氢从富含氢的包层中被吸积。
• 通过三种Hauser-Feshbach代码（NON-SMOKER、CoH 3.3、TALYS 1.4）改变核反应速率，以评估预测产物中不确定性的影响。
• 分析了Sakurai星中H-吸积的3D流体动力学模拟，识别出新的不稳定性模式，如壳层H-吸积的全局振荡（GOSH），影响混合与核合成。
• 将CEMP-r/s型恒星（如CS 31062-050、HE 0338-3945、CS 22898-027）的观测丰度数据与模型预测进行比较，以评估拟合质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 i-过程是否能比标准的s-和r-过程叠加模型更好地再现具有高[hs/ls]和低[La/Eu]比值的CEMP-r/s型恒星的观测丰度模式？
• RQ2 核反应速率的不确定性如何影响i-过程中关键同位素（如Ba、La、Eu）预测产物的影响？
• RQ3 非球对称、非径向的不稳定性（如GOSH）在改变后AGB星中i-过程核合成的物理条件方面起什么作用？
• RQ4 单区域i-过程模拟是否能定量匹配CEMP-r/s型恒星中观测到的重元素丰度（Y至Ir），且在观测误差范围内？
• RQ5 Sakurai星中H-吸积的3D流体动力学模拟在多大程度上挑战了球对称1D恒星演化模型在i-过程研究中的有效性？

主要发现

• 经过优化中子密度（Nₙ）和暴露量（τ）的一 zone i-过程模拟，成功再现了CS 31062-050等CEMP-r/s型恒星中从Y到Ir的观测丰度模式，误差在观测范围内。
• i-过程模型对CS 31062-050的丰度模式拟合效果优于标准的s-和r-过程叠加模型，尤其能合理解释其低[La/Eu]和高[hs/ls]比值。
• 核物理不确定性——尤其是反应速率的不确定性——导致[Ba/La]比值预测存在约0.7 dex的不确定度，[La/Eu]比值存在约0.3 dex的不确定度，显著限制了模型的可预测性。
• 对Sakurai星中H-吸积的3D流体动力学模拟揭示了一种新的非径向不稳定性模式——壳层H-吸积的全局振荡（GOSH），该模式破坏了球对称假设，使标准1D模型失效。
• GOSH模式在1536³网格模拟中约850分钟后被观测到，导致重复且剧烈的混合事件，增强熵的卷吸并改变核合成条件。
• 目前的1D恒星演化模型尚未捕捉到GOSH不稳定性，凸显了当前i-过程模拟中的关键局限，强调了采用3D信息指导建模的必要性。