[论文解读] The Radioactive Nuclei $^{ extbf{26}}$Al and $^{ extbf{60}}$Fe in the Cosmos and in the Solar System

R. Diehl, Maria Lugaro+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 1

一句话总结

本综述综合了天体物理学与核物理学关于放射性同位素 $^{26}$Al 和 $60$Fe 的见解，展示了如何通过伽马射线天文观测、宇宙射线数据、星尘、深海沉积物以及前太阳系颗粒的衰变特征，揭示恒星核合成、星际物质传输及太阳系形成的动力学过程。其核心贡献在于识别出 $^{26}$Al/$^{60}$Fe 同位素比值作为强有力的探针，用于约束近期银河系核合成的时间、来源及空间非均匀性，挑战了星际介质中瞬时混合的标准模型。

ABSTRACT

The cosmic evolution of the chemical elements from the Big Bang to the present time is driven by nuclear fusion reactions inside stars and stellar explosions. A cycle of matter recurrently re-processes metal-enriched stellar ejecta into the next generation of stars. The study of cosmic nucleosynthesis and of this matter cycle requires the understanding of the physics of nuclear reactions, of the conditions at which the nuclear reactions are activated inside the stars and stellar explosions, of the stellar ejection mechanisms through winds and explosions, and of the transport of the ejecta towards the next cycle, from hot plasma to cold, star-forming gas. Due to the long timescales of stellar evolution, and because of the infrequent occurrence of stellar explosions, observational studies are challenging. Due to their radioactive lifetime of million years, the 26Al and 60Fe isotopes are suitable to characterise simultaneously the processes of nuclear fusion reactions and of interstellar transport. We describe and discuss the nuclear reactions involved in the production and destruction of 26Al and 60Fe, the key characteristics of the stellar sites of their nucleosynthesis and their interstellar journey after ejection from the nucleosynthesis sites. We connect the theoretical astrophysical aspects to the variety of astronomical messengers, from stardust and cosmic-ray composition measurements, through observation of gamma rays produced by radioactivity, to material deposited in deep-sea ocean crusts and to the inferred composition of the first solids that have formed in the Solar System. We show that considering measurements of the isotopic ratio of 26Al to 60Fe eliminate some of the unknowns when interpreting astronomical results, and discuss the lessons learned from these two isotopes on cosmic chemical evolution.

研究动机与目标

• 统一银河系中 $^{26}$Al 和 $60$Fe 的起源与演化过程的天体物理学与核物理学视角。
• 解决理论模型与观测数据之间的差异，特别是关于近期核合成事件的时间与空间分布问题。
• 阐明 $^{26}$Al/$^{60}$Fe 同位素比值作为探测星际介质非均匀性与物质传输 timescales 的诊断工具的作用。
• 将多种天文信使——伽马射线、宇宙射线、星尘、深海沉积物与前太阳系颗粒——整合为一个连贯的宇宙化学演化图景。

提出的方法

• 结合理论核反应截面与恒星演化模型，模拟大质量恒星与核心塌缩超新星中 $^{26}$Al 和 $60$Fe 的生成过程。
• 分析来自银河系平面的伽马射线辐射数据，特别是来自 INTEGRAL 和 Fermi-LAT 的观测，推断 $^{26}$Al 与 $60$Fe 衰变的空间与时间分布。
• 解读空间探测器获得的宇宙射线测量结果，评估 $^{26}$Al 与 $60$Fe 在本地星际介质中的原位生成与传播过程。
• 评估前太阳系 SiC 与氧化物颗粒中同位素异常，追踪恒星喷出物注入太阳星云的过程。
• 将深海地壳中的地球记录（如约 2.5–6 Myr 前的 $^{60}$Fe 沉积）与天文观测对比，约束附近超新星事件的时间。
• 利用 $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比值作为诊断工具，检验星际混合、物质传输与核合成源贡献的各类模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何 $^{26}$Al（来自恒星风）与 $^{60}$Fe（来自核心塌缩超新星）的不同喷射 timescales 会影响其在银河系中观测到的空间与时间分布？
• RQ2 为何深海中的 $^{60}$Fe 沉积物显示约 8 Myr 的持续输入，与单次超新星事件的预测不一致？
• RQ3 银河系中 $^{26}$Al 与 $60$Fe 的伽马射线观测结果在多大程度上偏离了假设瞬时混合的银河系化学演化标准模型的预测？
• RQ4 如何利用宇宙射线与星际介质中 $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比值来区分本地与遥远的核合成源？
• RQ5 前太阳系颗粒与深海沉积物中的同位素比值揭示了星际物质传输与太阳系形成过程的效率与时间尺度的哪些信息？

主要发现

• 弥漫银河伽马射线辐射中 $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比值表明当前的核合成输入与单次超新星起源不一致，暗示存在持续或成团的生成机制。
• 深海 $^{60}$Fe 沉积物的年代测定为 ~2.5–6 Myr 前，表明星际尘埃与核素的持续输入过程，与单次超新星事件不一致，指向多个或扩展的来源。
• 宇宙射线测量显示 $^{60}$Fe 存在于本地星际介质中，强烈表明近期存在超新星活动，因为 $^{60}$Fe 不像 $^{26}$Al 那样通过散裂反应生成。
• 观测到的 $^{26}$Al 与 $60$Fe 伽马射线辐射分布模式表明，星际介质中的大尺度空腔与气泡在塑造喷出物传输中起着关键作用，$^{26}$Al 在高速流中停留的时间比预期更长。
• 前太阳系 SiC 颗粒与深海沉积物中 $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比值偏离银河系平均值，表明太阳系形成于受附近大质量恒星影响的化学非均质环境中。
• 假设瞬时混合的银河系化学演化标准模型无法再现 $^{26}$Al 与 $60$Fe 观测到的空间与时间非均质性，因此需要引入时间与空间依赖的物质传输与混合过程的模型。