[论文解读] Traits for chemical evolution in solar twins: Trends of neutron-capture elements with stellar age

P. Jofré, Holly Jackson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 27被引用 37

一句话总结

本研究在80颗太阳类似恒星中识别出55个丰度比，其与恒星年龄呈强线性趋势，所有丰度比均涉及中子俘获（n-捕获）元素与其它核合成家族元素的组合。关键发现是，[C/Ba]丰度比表现出最陡峭的年龄依赖性（0.049 ± 0.003 dex/Gyr），表明应使用s-过程元素而非铁作为太阳邻域化学演化模型中的参考丰度。

ABSTRACT

The physical processes driving chemical evolution in the Milky Way can be probed using the distribution of abundances in low-mass FGK type stars in space phase at different times. During their final stages of evolution stars experience nucleosynthesis several times, each at different timescales and producing different chemical elements, so finding abundance ratios that have simple variations across cosmic times remains a challenge. Using the sample of 80 solar twins for which ages and abundances of 30 elements were measured with high precision by Bedell et al 2018, we searched for all possible abundance ratios combinations that show linear trends with age. We found 55 such ratios, all combining a neutron-capture element and another one produced by different nucleosynthesis channels. We recovered the ratios of [Y/Mg], [Ba/Mg] and [Al/Y] reported previously in the literature, and found that [C/Ba] had the largest dependency with age with a slope of $0.049 \pm 0.003~\mathrm{dex/Gyr}$, imposing constraints on the magnitude of time dependency of abundance ratios in solar twins. Our results suggest using s-process elements, in lieu of Fe, as a reference for constraining chemical evolution models of the solar neighbourhood. Our study illustrates hows a large variety of chemical elements measured from high resolution spectra is key in facing current challenges in understanding the formation and evolution of our Galaxy.

研究动机与目标

• 识别在太阳类似恒星中与恒星年龄显著线性相关的丰度比。
• 确定中子俘获元素（s-过程）是否比铁更有效地作为追踪化学演化的参考元素。
• 探索对30种元素在多样化核合成家族中进行高精度丰度测量的实用性。
• 为银河系演化模型和恒星系统发育研究提供一组新的稳健的'化学时钟'丰度比。

提出的方法

• 使用来自80颗太阳类似恒星的30种元素的高精度丰度数据及恒星年龄（Bedell et al. 2018）。
• 对所有可能的丰度比组合进行年龄函数的线性回归分析。
• 仅选择斜率 > 0.03 dex/Gyr且相关系数 > 0.7的丰度比，以确保统计显著性。
• 将元素分类为核合成家族（如s-过程、α-捕获、奇原子序数、铁峰）以解释趋势。
• 使用Python的scipy.stats.linregress进行线性拟合并通过趋势图的视觉检查验证结果。
• 按核合成家族分组结果，以评估系统性依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳类似恒星中哪些丰度比与恒星年龄表现出显著线性趋势？
• RQ2 这些趋势的斜率在不同核合成家族之间如何比较？
• RQ3 [C/Ba]丰度比是否为所有组合中年龄依赖性最强的？
• RQ4 s-过程元素能否作为化学演化模型中比铁更优的参考元素？
• RQ5 像Al和Cu这样的奇原子序数元素是否在不同恒星年龄下与s-过程元素表现出一致的趋势？

主要发现

• 55个丰度比表现出与年龄的显著线性趋势，所有丰度比均结合了中子俘获元素与另一核合成家族的元素。
• [C/Ba]丰度比表现出最陡峭的年龄依赖性，斜率为0.049 ± 0.003 dex/Gyr，为所有测试丰度比中最高。
• 所有55个显著丰度比均涉及s-过程元素，且其太阳s-过程分数超过r-过程分数。
• [Mg/Y]和[Mg/Ba]丰度比（先前报道为'化学时钟'）被成功恢复并以高显著性得到确认。
• 当与s-过程元素配对时，铁峰元素如Ni和Mn也表现出不可忽视的年龄依赖性，挑战了铁峰元素信息量较低的假设。
• 结果表明，s-过程元素比铁更有效地作为参考丰度，用于约束太阳邻域化学演化模型。