[论文解读] The survival of 205Pb in intermediate-mass AGB stars

N. Mowlavï, S. Goriely+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 9

一句话总结

本文通过详细的恒星模型研究了中等质量渐近巨星支（AGB）星中已灭绝的放射性核素 205Pb 的生存及其表面富集现象。研究发现，在 3M⊙、Z=0.02 的恒星中，205Pb 表面污染的可能性较低，但在更高质量或更低金属度的恒星中（例如 6M⊙、Z=0.02 或 3M⊙、Z=0.001），其可能性显著增加，原因在于控制 205Pb 生成与破坏的弱相互作用速率对温度和密度高度敏感。

ABSTRACT

The now extinct 205Pb is a pure s-process radionuclide (t_{1/2} = 1.5x10^7 y) of possible substantial cosmochemical interest. As a necessary complement to the detailed theoretical study of the nuclear physics and astrophysics aspects of the 205Pb - 205Tl pair carried out by Yokoi et al. (1985), and to the recent calculation of the 205Pb production in Wolf-Rayet stars by Arnould et al. (1997), this paper addresses for the first time in some detail the question of the survival of this radionuclide in thermally pulsing AGB stars. This problem is made difficult by the high sensitivity to temperature and density of the rates of the weak interaction processes that are able to produce or destroy 205Pb. In view of this sensitivity, a recourse to detailed stellar models is mandatory. With the help of some simplifying assumptions concerning in particular the third dredge-up characteristics, some of which (like its depth) being considered as free parameters, predictions are made for the 205Pb contamination of the stellar surface at the end of a pulse-interpulse cycle following a series of a dozen of pulses in three different intermediate-mass stars (M=3M_sun,Z=0.02; M=6M_sun,Z=0.02; M=3M_sun,Z=0.001). It is concluded that the chances for a significant 205Pb surface enrichment are likely to increase with M for a given Z, or to increase with decreasing Z for a given M. More specifically, following the considered pulses at least, the enrichment appears to be rather unlikely in the 3M_sun star with Z=0.02, while it seems to be much more probable in the other two considered stars. It is also speculated that the (3M_sun,Z=0.02) star could possibly experience some 205Pb enrichment following later pulses than the ones considered in this paper.

研究动机与目标

• 评估中等质量 AGB 星中已灭绝放射性核素 205Pb 的生存及其潜在表面富集的可能性。
• 解决由产生或破坏 205Pb 的弱相互作用速率对高温和高密度高度敏感所带来的挑战。
• 评估恒星演化过程（尤其是第三次上翻）对多个热脉动过程中 205Pb 表面丰度的影响。
• 确定在何种恒星条件（质量与金属度）下，205Pb 污染最可能发生。
• 通过聚焦于 AGB 恒星演化，拓展先前关于 205Pb 在沃尔夫-拉叶星中生成的理论工作。

提出的方法

• 针对三颗中等质量 AGB 恒星（3M⊙、Z=0.02；6M⊙、Z=0.02；3M⊙、Z=0.001）构建了详细的恒星演化模型。
• 纳入了热脉动及第三次上翻的影响，将上翻深度作为自由参数以探索不同情景。
• 采用对温度和密度敏感的核反应速率，模拟通过弱相互作用生成与破坏 205Pb 的过程。
• 追踪了十余次热脉动过程中 205Pb 的表面丰度，重点关注脉动-间隙周期末期。
• 应用简化假设以使复杂的恒星物理过程在计算上可行，同时保留关键物理解读。
• 比较了不同恒星质量与金属度下预测的 205Pb 表面丰度，以评估富集的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在经历多次热脉动后，205Pb 在中等质量 AGB 星表面存活并实现富集的可能性有多大？
• RQ2 第三次上翻在 AGB 星中如何影响 205Pb 的表面丰度？
• RQ3 恒星质量如何影响在不同金属度下 AGB 星中 205Pb 的存活与表面富集？
• RQ4 金属度在决定 AGB 星中 205Pb 表面污染概率方面起什么作用？
• RQ5 在 3M⊙、Z=0.02 的恒星中，尽管初始存活概率较低，但后续的热脉动是否仍可能导致可探测的 205Pb 富集？

主要发现

• 在经历前十二次热脉动后，3M⊙、Z=0.02 的 AGB 恒星中，205Pb 表面富集的可能性较低。
• 在更高质量的 AGB 恒星中，如 6M⊙、Z=0.02 的恒星，显著的 205Pb 表面富集变得更加可能。
• 与太阳金属度的对应星体相比，低金属度恒星（如 3M⊙、Z=0.001）表现出更高的 205Pb 表面污染可能性。
• 205Pb 存活概率随恒星质量增加和金属度降低而提高。
• 若考虑初始十二次脉动之后的后续热脉动，3M⊙、Z=0.02 的恒星仍可能经历 205Pb 富集。
• 205Pb 的存活对氦间层中的温度和密度条件极为敏感，尤其是由于弱相互作用速率的影响。