貧金屬星重元素豐度的研究

謝革英 范 虹 張翠明 張利剛

（1.河北建筑工程學(xué)院數(shù)理系，河北 張家口075024；2.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河北 石家莊050000）

1 引 言

比鐵族元素更重的元素叫重元素，中子俘獲在恒星元素核合成方面起主導(dǎo)作用.由于鐵族核素間強(qiáng)大的庫(kù)侖斥力作用，在低溫的情況下比鐵族更重的核素已經(jīng)不能通過克服庫(kù)侖勢(shì)壘的核聚變來(lái)產(chǎn)生.而俘獲中子的核反應(yīng)無(wú)須克服庫(kù)侖勢(shì)壘，溫度不是很高的情形下就可以很容易地發(fā)生.在恒星元素核合成方面，有兩種中子俘獲過程［1］：快中子俘獲（r-）過程和慢中子俘獲（s-）過程，分別產(chǎn)生于彼此獨(dú)立的、不同物理環(huán)境中.r-過程產(chǎn)生于爆炸的天體物理環(huán)境中，s-過程產(chǎn)生于紅巨星內(nèi)部寧?kù)o的He燃燒階段.s-過程又分為s-弱分量（s-weak）和s-強(qiáng)分量（s-main），其中弱分量是指較輕（原子質(zhì)量數(shù)≤90）的中子俘獲元素，主要產(chǎn)生于大質(zhì)量的恒星內(nèi)部核心氦燃燒階段；強(qiáng)分量主要產(chǎn)生于中、小質(zhì)量AGB星氦殼層燃燒過程中.

貧金屬星被稱為是包含著銀河系化學(xué)演化歷史的“化石”，研究其中子俘獲核合成元素豐度分布，對(duì)檢驗(yàn)核合成理論和探索星系形成早期化學(xué)演化具有十分重要的意義.貧金屬星產(chǎn)生于銀河系極早期，其表面大氣化學(xué)組成記錄了銀河系早期演化過程中恒星形成時(shí)星際物質(zhì)的金屬豐度，因此，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一.近年來(lái)，隨著原子數(shù)據(jù)測(cè)量的精確度提高及恒星大氣模型的改進(jìn)，元素豐度的資料也日趨精確，恒星大氣的化學(xué)元素豐度隨著恒星金屬豐度［Fe／H］的變化趨勢(shì)對(duì)星系演化模型給出觀測(cè)上的限制，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇?

由于太陽(yáng)系的核素分布是迄今為止得到的唯一詳細(xì)的核素豐度分布，常將其作為標(biāo)準(zhǔn)的豐度分布.星族I恒星取與太陽(yáng)系核素豐度相似的分布，星族Ⅱ貧金屬星的重元素豐度明顯與太陽(yáng)系的豐度分布不同.貧金屬星豐度的差異不僅反映了其核合成環(huán)境不同于太陽(yáng)系，而且也表明了銀河系早期的化學(xué)成分不同于太陽(yáng)星云.Zhang等人［2］提出了r、弱s、主要s等三個(gè)不同核合成過程對(duì)恒星元素豐度貢獻(xiàn)的方法，謝等人［3］對(duì)參數(shù)化模型做了改進(jìn).本文用新模型對(duì)貧金屬星的重元素豐度所對(duì)應(yīng)的核合成過程做了進(jìn)一步分析.

2 模型及計(jì)算

將太陽(yáng)系核素分布作為標(biāo)準(zhǔn)的豐度分布，貧金屬星的第i種元素的豐度計(jì)算公式［2］：

其中 Ni，＊，cal代表貧金屬星的第i種元素豐度計(jì)算結(jié)果，Ni，r、Ni，s，w、Ni，s，m分別取自太陽(yáng)系的r、弱s、主要s核合成過程的元素豐度，C1、C2、C3為對(duì)應(yīng)過程的分量系數(shù)，［Fe／H］＊是貧金屬星的金屬豐度.

太陽(yáng)系的分量系數(shù)C1＝C2＝C3＝1.最新的太陽(yáng)系觀測(cè)資料［4］顯示，Ba和Eu的豐度來(lái)自于主要s過程和r過程貢獻(xiàn)，Sr豐度弱s過程占的比例較大.本文取Eu、Sr、Ba作為貧金屬星各種過程核合成的典型元素，由太陽(yáng)系的三種元素豐度代入方程和貧金屬星的觀測(cè)值計(jì)算出C1、C2、C3和貧金屬星中其它的重元素豐度.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

選取-2＜［Fe／H］、［Fe／H］＜-2兩個(gè)金屬豐度區(qū)間的各兩顆星：HD 134169、HD 63077和 HD 6268、HD 115444，它們的觀測(cè)結(jié)果取自文獻(xiàn)［5，6］，本文研究不同金屬豐度的環(huán)境下三種核合成過程對(duì)貧金屬星中子俘獲元素豐度的貢獻(xiàn).下圖是貧金屬星的重元素的豐度與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較.圖中帶誤差棒的實(shí)心圓點(diǎn)代表觀測(cè)值，折線代表計(jì)算結(jié)果.

圖2 計(jì)算得到的恒星HD 121384 重元素豐度與觀測(cè)結(jié)果的比較

圖3 計(jì)算得到的恒星HD 6268重元素豐度與觀測(cè)結(jié)果的比較

圖4 計(jì)算得到的恒星HD 115444 重元素豐度與觀測(cè)結(jié)果的比較

圖1 、圖2給出了位于［Fe／H］＞-2區(qū)間貧金屬星重元素豐度的計(jì)算與觀測(cè)結(jié)果的比較.由圖可見，較輕的中子俘獲元素（如Sr，Y，Zr）的豐度計(jì)算值與觀測(cè)值符合的更好.與［Fe／H］＜-2金屬豐度區(qū)間的恒星相比，［Fe／H］＞-2區(qū)間的C1、C2、C3都更接近于1，說明，越接近太陽(yáng)金屬豐度（［Fe／H］＝1）的恒星，其重元素核合成過程越接近于太陽(yáng)系的值.

圖3、圖4給出了位于［Fe／H］＜-2區(qū)間貧金屬星重元素豐度的計(jì)算與觀測(cè)結(jié)果的比較.兩顆星均出現(xiàn)C1＞1，且C3＜1，這表明，其r-過程分量對(duì)重元素豐度的貢獻(xiàn)比例大于太陽(yáng)系的，而主要s過程分量的貢獻(xiàn)比太陽(yáng)系中的小.由于r-過程主要產(chǎn)生于大質(zhì)量恒星，主要s過程主要產(chǎn)生在中、小質(zhì)量的AGB星中，而且，大質(zhì)量恒星的壽命較短，在星系形成早期對(duì)重元素就有可觀的貢獻(xiàn)，中、小質(zhì)量恒星的壽命較長(zhǎng)，在星系形成早期對(duì)重元素豐度的貢獻(xiàn)較少.因此，我們的計(jì)算結(jié)果與恒星的演化理論和星系的化學(xué)演化理論是相一致的［7］.

4 結(jié) 論

結(jié)果表明，金屬豐度較高的貧金屬星，重中子俘獲元素豐度以主要s過程產(chǎn)生為主；金屬豐度較低的恒星，重元素豐度主要是由r-過程合成的，星系早期弱s過程對(duì)元素豐度的貢獻(xiàn)非常小.計(jì)算結(jié)果與恒星的演化理論和星系的化學(xué)演化理論是相一致的，體現(xiàn)了本文模型的合理性，為貧金屬星的核合成理論研究提供了有效的方法.

［1］Burbidge E.M.，Burbidge G.R.，F(xiàn)owlerW.A.，et al.，Rev.Mod.Phys.，1957，29，547

［2］Bo Zhang，Ji Li，Chaixia Zhang，et al.，APJ，1999，513，910

［3］謝革英，張波，李宏杰等，天文學(xué)報(bào)，2010，51：221

［4］Sneden C，Cowan J J，Gallino R.ARA&A，2008，46：241

［5］Honda S，Aoki W，Kajino T，et al.ApJ，2004，607：474

［6］Westin J，Sneden C，Gustafsson B，et al.ApJ，2000，530：783

［7］Cowan J J，Sneden C，McWilliam A，et al.，ApJ，1996，460：L115