[论文解读] The Origin of Elements from Carbon to Uranium

Chiaki Kobayashi, Amanda I. Karakas+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Astro and Planetary Science被引用 8

一句话总结

本研究基于第一性原理构建了从碳到铀所有稳定元素的银河系化学演化模型，结合理论核合成产额与事件率，追溯元素在时间和银河系环境中的起源。研究发现，质量为25–50 M⊙的超新星可解释铕等元素的r-过程趋势，而超大质量渐近巨星分支星（super-AGB stars）仅在产生Iax型或包层捕获型超新星时才有贡献；中子星并合事件（NSMs）因 timescales 过长，无法单独解释低金属丰度下的r-过程元素丰度。

ABSTRACT

To reach a deeper understanding of the origin of elements in the periodic table, we construct Galactic chemical evolution (GCE) models for all stable elements from C (A=12) to U (A=238) from first principles, i.e., using theoretical nucleosynthesis yields and event rates of all chemical enrichment sources. This enables us to predict the origin of elements as a function of time and environment. In the solar neighborhood, we find that stars with initial masses of M>30M_\odot can become failed supernovae if there is a significant contribution from hypernovae (HNe) at M~20-50M_\odot. The contribution to GCE from super asymptotic giant branch (AGB) stars (with M~8-10M_\odot at solar metallicity) is negligible, unless hybrid white dwarfs from low-mass super-AGB stars explode as so-called Type Iax supernovae, or high-mass super-AGB stars explode as electron-capture supernovae (ECSNe). Among neutron-capture elements, the observed abundances of the second (Ba) and third (Pb) peak elements are well reproduced with our updated yields of the slow neutron-capture process (s-process) from AGB stars. The first peak elements, Sr, Y, and Zr, are sufficiently produced by ECSNe together with AGB stars. Neutron star mergers can produce rapid neutron-capture process (r-process) elements up to Th and U, but the timescales are too long to explain observations at low metallicities. The observed evolutionary trends, such as for Eu, can well be explained if ~3% of 25-50 M_\odot hypernovae are magneto-rotational supernovae producing r-process elements. Along with the solar neighborhood, we also predict the evolutionary trends in the halo, bulge, and thick disk for future comparison with galactic archaeology surveys.

研究动机与目标

• 通过建模元素在银河系演化过程中的核合成来源，理解从碳到铀元素的起源。
• 通过将理论产额与多环境观测数据对比，解决观测到的中子俘获元素丰度之间的差异。
• 评估罕见事件（如超新星、包层捕获型超新星和中子星并合）在银河系重元素富集中的作用。
• 评估恒星质量、金属丰度和恒星形成效率对不同银河系组分中元素丰度模式的影响。
• 为未来银河系考古学调查提供一个自洽的理论框架。

提出的方法

• 基于来自AGB星、大质量星和致密天体并合的理论核合成产额，构建单区银河系化学演化（GCE）模型。
• 根据恒星演化理论，整合核心塌缩超新星、超新星、包层捕获型超新星和中子星并合的事件率。
• 利用含磁场和旋转的2D核合成模拟，对超新星中的r-过程生产进行建模。
• 在可能爆发为Iax型或包层捕获型超新星的条件下，应用超大质量AGB星的产额。
• 利用APOGEE、HERMES和高分辨率光谱的观测数据，将模型校准至太阳邻域、晕、银心和厚盘的丰度趋势。
• 通过比较预测的元素比值（如Sr/Ba、Eu/Fe）与不同金属丰度下观测到的演化趋势，检验模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量在25–50 M⊙范围内的超新星对铕和铀等元素的r-过程生产贡献如何？
• RQ2 中子星并合事件是否足以解释低金属丰度下的r-过程元素丰度趋势，还是需要额外的核合成源？
• RQ3 超大质量AGB星需满足何种条件才能显著贡献于s-过程和中子俘获元素的生产？
• RQ4 不同银河系组分（如晕与厚盘）之间恒星形成效率的差异，如何影响s-和r-过程元素的观测丰度比？
• RQ5 银和金的丰度为何与当前理论产额不一致？哪些核反应速率可能需要修正？

主要发现

• 质量在25–50 M⊙范围内、具有磁场和旋转的超新星，若约3%能产生r-过程元素，则可解释铕的观测演化趋势。
• 中子星并合事件因timescales过长，无法单独重现低金属丰度下的r-过程元素丰度，表明需要额外的核合成源。
• 除非爆发为Iax型超新星或包层捕获型超新星，否则超大质量AGB星对银河系化学演化贡献可忽略。
• 通过更新AGB星产额，可良好再现第二峰s-过程元素（如钡、铅）的观测丰度；而第一峰元素（锶、钇、锆）则需要包层捕获型超新星和AGB星的共同贡献。
• 模型中银的丰度过剩约6倍，金的丰度则低约5倍，表明这些元素的核反应速率可能存在偏差。
• 不同银河系组分的化学演化轨迹存在差异：由于恒星形成效率较低且长 timescale 源延迟富集，晕中s-过程与铁的比值高于太阳邻域。