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恒星中子俘获元素丰度的定量分解研究

李宏杰  
【摘要】:恒星的元素丰度为我们理解恒星与星系的形成及演化提供了非常重要的信息,所以探索恒星元素丰度的起源是核天体物理学的重要内容。元素的天体物理来源多种多样,过程也极其复杂,因此恒星的观测丰度通常不能用单一的核合成过程来解释。在这种情况下,我们用分量模型对恒星的元素丰度进行了分解,并对结果进行了分析和讨论。 贫金属星的元素丰度,尤其是中子俘获元素的丰度,为我们研究星系形成早期的天体演化提供了重要线索。本文利用两颗主要r-过程星CS22892-052、CS31082-001和两颗弱r-过程星HD122563、HD88609的观测丰度,得到了主要r-过程和弱r-过程分量的丰度分布。贫金属星的观测丰度表明轻元素和铁族元素的增丰与弱r-过程元素增丰相关联,我们将弱r-过程分量的丰度分布推广到了轻元素和铁族元素。利用主要r-过程分量和弱r-过程分量,我们对30颗贫金属星的观测丰度进行了分解。通过对分量系数的分析,发现其中的两颗星是弱r-过程星。由于星系形成早期的大质量星的贡献(P分量)没有考虑在内,[Sr/Fe]的观测值很低的“低Sr星”BD-185550的观测丰度不能用这两个分量拟合,其轻元素和铁族元素的观测丰度明显大于计算结果,这说明该星的P分量贡献不可忽略。用BD-185550的观测丰度减去计算值,我们得到了P分量的丰度分布。用主要r-过程分量、弱r-过程分量和P分量重新拟合30颗星的丰度之后,发现P分量的贡献随[Fe/H]的增加迅速减小。 对贫金属星流恒星的研究表明其弱r-过程分量系数近似为常数,这意味着尽管弱r-过程元素与Fe元素产生于不同的过程,但是在整个星流污染的历史中弱r-过程元素随着Fe的增加而增加,且以近似固定的产量比例由II型超新星产生。我们发现星流恒星中有一颗弱r-过程星,HD237846,其金属丰度([Fe/H]=-3.29)比已知的弱r-过程星HD88609的金属丰度([Fe/H]=-3.07)还要低,这说明弱r-过程产生的丰度分布在较宽的金属丰度范围内比较稳定。在[Fe/H]>-2.2时,C_(r,m)与C_(r,m)接近,意味着主要r-过程和弱r-过程分量比例在[Fe/H]~-2.2时达到太阳系的值。CS29513-032是星流恒星中的一颗s-rich星,它的s-过程丰度来自低质量AGB星的污染,其r-过程分量系数与同金属度下的星流恒星的r-过程分量系数接近,暗示CS29513-032与其它星流恒星有着共同的天体物理起源。 根据CS22892-052、CS31082-001和HD122563、HD88609观测丰度的比较结果,我们估算了弱r-过程和主要r-过程前身星的质量范围和产量。计算结果显示,弱r-过程产生于前身星质量大约为11-26M⊙的超新星爆发阶段,其中前身星质量在15M⊙<M<26M⊙范围内的超新星的贡献大于80%。 球状星团M22中恒星的丰度可以分解为主要r-过程、弱r-过程和主要s-过程分量的贡献,且它们的主要r-过程分量系数和弱r-过程分量系数都接近常数,其s-过程元素丰度来自低质量的AGB星的污染。尽管金属丰度比较低,M22恒星的s-过程丰度分布已经达到了太阳系的主要s-过程丰度分布。s-过程分量系数与r-过程分量系数随金属度的变化趋势明显不同。s-过程分量系数随[Fe/H]增长的趋势意味着s-过程对M22丰度的贡献是逐渐增加的。这一现象可能是星团内部演化的结果,并且可以用低质量AGB星具有较长寿命来解释。 我们利用五分量模型对银河系较高金属丰度恒星的丰度进行分解,给出了各分量贡献随金属丰度的变化趋势。利用该方法,我们对天炉座矮星系的恒星丰度进行了研究,并与具有相似金属丰度的银河系恒星的丰度进行比较,得到了矮星系演化的初始质量函数“bottom-heavy”的重要证据。


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