貧金屬星重元素豐度的研究

謝革英 范 虹 張翠明 張利剛

（1.河北建筑工程學院數理系，河北 張家口075024；2.石家莊職業技術學院信息工程系，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作用.由于鐵族核素間強大的庫侖斥力作用，在低溫的情況下比鐵族更重的核素已經不能通過克服庫侖勢壘的核聚變來產生.而俘獲中子的核反應無須克服庫侖勢壘，溫度不是很高的情形下就可以很容易地發生.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，分別產生于彼此獨立的、不同物理環境中.r-過程產生于爆炸的天體物理環境中，s-過程產生于紅巨星內部寧靜的He燃燒階段.s-過程又分為s-弱分量（s-weak）和s-強分量（s-main），其中弱分量是指較輕（原子質量數≤90）的中子俘獲元素，主要產生于大質量的恒星內部核心氦燃燒階段；強分量主要產生于中、小質量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演化歷史的“化石”，研究其中子俘獲核合成元素豐度分布，對檢驗核合成理論和探索星系形成早期化學演化具有十分重要的意義.貧金屬星產生于銀河系極早期，其表面大氣化學組成記錄了銀河系早期演化過程中恒星形成時星際物質的金屬豐度，因此，一直是人們關注的焦點之一.近年來，隨著原子數據測量的精確度提高及恒星大氣模型的改進，元素豐度的資料也日趨精確，恒星大氣的化學元素豐度隨著恒星金屬豐度［Fe／H］的變化趨勢對星系演化模型給出觀測上的限制，檢驗模型的合理性.

由于太陽系的核素分布是迄今為止得到的唯一詳細的核素豐度分布，常將其作為標準的豐度分布.星族I恒星取與太陽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境不同于太陽系，而且也表明了銀河系早期的化學成分不同于太陽星云.Zhang等人［2］提出了r、弱s、主要s等三個不同核合成過程對恒星元素豐度貢獻的方法，謝等人［3］對參數化模型做了改進.本文用新模型對貧金屬星的重元素豐度所對應的核合成過程做了進一步分析.

2 模型及計算

將太陽系核素分布作為標準的豐度分布，貧金屬星的第i種元素的豐度計算公式［2］：

其中 Ni，＊，cal代表貧金屬星的第i種元素豐度計算結果，Ni，r、Ni，s，w、Ni，s，m分別取自太陽系的r、弱s、主要s核合成過程的元素豐度，C1、C2、C3為對應過程的分量系數，［Fe／H］＊是貧金屬星的金屬豐度.

太陽系的分量系數C1＝C2＝C3＝1.最新的太陽系觀測資料［4］顯示，Ba和Eu的豐度來自于主要s過程和r過程貢獻，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，由太陽系的三種元素豐度代入方程和貧金屬星的觀測值計算出C1、C2、C3和貧金屬星中其它的重元素豐度.

3 計算結果與分析

選取-2＜［Fe／H］、［Fe／H］＜-2兩個金屬豐度區間的各兩顆星：HD 134169、HD 63077和 HD 6268、HD 115444，它們的觀測結果取自文獻［5，6］，本文研究不同金屬豐度的環境下三種核合成過程對貧金屬星中子俘獲元素豐度的貢獻.下圖是貧金屬星的重元素的豐度與觀測結果進行比較.圖中帶誤差棒的實心圓點代表觀測值，折線代表計算結果.

圖2 計算得到的恒星HD 121384 重元素豐度與觀測結果的比較

圖3 計算得到的恒星HD 6268重元素豐度與觀測結果的比較

圖4 計算得到的恒星HD 115444 重元素豐度與觀測結果的比較

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

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

4 結 論

結果表明，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過程對元素豐度的貢獻非常小.計算結果與恒星的演化理論和星系的化學演化理論是相一致的，體現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.，FowlerW.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，天文學報，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