恒星Ba元素及其同位素丰度的NLTE分析

摘要

恒星元素丰度代表恒星大气的化学组成，直接反映了恒星形成时所处的星系环境，是我们从观测上追踪恒星形成和星系化学演化的有效探针。由于不同元素的核合成过程和产生场所的演化时标不同，恒星中不同元素的丰度比在一定程度上反映了恒星形成和元素核合成的历史，可作为星系形成和演化的宇宙时钟。特别是由于Ba元素的奇同位素(135Ba和137Ba)主要是r-过程核合成的产物，而偶同位素（134Ba、136Ba和138Ba）主要是s-过程核合成的产物，因此其奇、偶同位素的丰度之比反映了r-过程和s-过程核合成对Ba丰度的相对贡献，由此可以更好地追踪r-过程和s-过程的核合成历史，研究其可能的产生场所，为星系化学演化模型和元素核合成理论提供可靠的观测约束。
　　 我们分别用局部热动平衡(LTE)和非局部热动平衡(NLTE)模型分析了28颗恒星的Ba元素丰度，金属丰度范围为-2.41＜[Fe/H]＜+0.07，包括16颗薄盘星、3颗厚盘星、7颗晕星，以及2颗运动学特征介于厚盘和薄盘之间的过渡恒星。并利用BaⅡ共振线λ455.4nm的超精细结构和同位素结构分裂，确定了不同奇、偶同位素比例的Ba元素丰度，以此来研究不同星族恒星中r-过程和s-过程核合成对Ba元素丰度的相对贡献。
　　 论文内容包括6部分:(1)引言部分简单介绍了元素核合成理论和元素丰度概念，综述了对恒星Ba元素丰度的观测研究;(2)观测样本和数据处理，样本星的光谱数据取自欧洲南方天文台(ESO)甚大望远镜(VLT)及其阶梯光栅摄谱仪UVES公开释放的一维谱，光谱分辨率R＞40000，光谱信噪比S/N＞200。一维谱的视向速度修正和归一化是利用在IDL语言环境下开发的SIU程序包进行的;(3)确定恒星大气参数，包括有效温度Teff、表面重力加速度logg、金属丰度[Fe/H]和微观湍流速度(ξ)，并建立恒星大气模型，包括局部热动平衡(LTE)和NLTE模型;(4)建立Ba原子模型，模型中考虑了Ba原子谱线的超精细结构和同位素结构分裂，包括BaⅡ的35个束缚能级和BaⅢ基态能级;(5)Ba元素丰度分析和结果讨论:利用光谱综合方法，通过拟合观测到的BaⅡ原子的3条谱线λ455.4nm、λ585.3nm和λ649.6nm的谱线轮廓，确定了样本星在LTE和NLTE模型下的Ba元素丰度，并且利用共振线λ455.4nm分析了几种不同奇、偶同位素比例（偶∶奇=82∶18，70∶30，65∶35，54∶46）的Ba同位素丰度;根据丰度分析结果，讨论了不同星族包括晕星、厚盘恒星和薄盘恒星的[Ba/Fe]～[Fe/H]关系，以及不同星族恒星中r-过程和s-过程核合成对Ba元素丰度的相对贡献，分析了Ba丰度NLTE效应;(6)最后部分是论文的结论。
　　 通过对28颗恒星的Ba元素丰度的分析和讨论，我们得到以下重要结论:
　　 1、不同谱线的NLTE效应不同:次级谱线的NLTE丰度修正△[Ba/Fe]NLTE-LTE都是负的且与恒星金属丰度无关，其中λ585.3nm的NLTE效应较弱，其丰度修正△[Ba/Fe]NLTE-LTE平均为-0.03dex;λ649.6nm的NLTE效应较强，其丰度修正△[Ba/Fe]NLTE-LTE平均为-0.1dex，最大为-0.18dex。共振线BaⅡλ455.4nm的NLTE效应也比较明显，但其对丰度的修正依赖于恒星的金属丰度，当[Fe/H]＞-1.8时，△[Ba/Fe]NLTE-LTE也是负的，平均为-0.1dex;而当[Fe/H]＜-1.8时，△[Ba/Fe]NLTE-LTE转变为正的，平均在0.1dex。
　　 2、BaⅡ谱线的NLTE效应依赖于恒星的有效温度，无论是共振线还是次级谱线，其丰度修正△[Ba/Fe]NLTE-LTE都有随有效温度的升高而变大的趋势。尤其是次级谱线λ649.6nm的NLTE修正与有效温度的相关性较强，当恒星的Teff从5600K升高到6600K时，其△[Ba/Fe]NLTE-LTE从-0.04dex增加到-0.15dex。
　　 3、在样本的整个金属丰度范围(-2.41＜[Fe/H]＜+0.07)内恒星的[Ba/Fe]丰度并不依赖于恒星的金属丰度且在平均值[Ba/Fe]=0附近变化，但却与恒星的星族成分有密切的关系。薄盘恒星的[Ba/Fe]与太阳丰度一致，平均为0.0±0.02dex，而厚盘恒星的[Ba/Fe]明显低于薄盘，平均为-0.1±0.02dex;运动学性质处于厚盘和薄盘之间的过渡恒星，其[Ba/Fe]的丰度与厚盘一致;晕星恒星的[Ba/Fe]弥散较大，随金属丰度的变化比较复杂，[Fe/H]＞-1.0时晕星的[Ba/Fe]丰度值在0附近，而当[Fe/H]＜-1.0时[Ba/Fe]随[Fe/H]的变低而由超丰变为欠丰，当[Fe/H]＜-2.0时[Ba/Fe]有快速下降趋势。
　　 4、Ba的同位素丰度随金属丰度的变化与元素丰度[Ba/Fe]一致，而且也表现较强出的星族效应，即不同星族恒星中偶-奇同位素对Ba元素丰度的贡献比例不同。薄盘星中Ba元素偶-奇同位素的比并不是单一值，而是在82∶18、70∶30和65∶35之间变化，表明薄盘恒星的Ba元素核合成过程比较复杂，多数薄盘恒星与太阳的Ba丰度一致且其奇偶核素比例也与太阳系混合比例相同，即s-过程的贡献为主，但有些薄盘恒星的Ba丰度主要是r-过程的贡献;对于厚盘星，Ba元素偶-奇同位素的比也不是单一的确定值，而是在65∶35和54∶46之间，这表明厚盘恒星的Ba元素核合成过程为r-过程占主要，低金属丰度的厚盘恒星的Ba几乎是纯r-过程的产物，但s-过程的贡献不能忽略;对于晕星，Ba元素偶-奇同位素之比为太阳系纯r-过程54∶46，表明晕星的Ba元素来自于纯r-过程核合成，而且这与晕星的金属丰度无关。

目录

声明

摘要

1．引言

1．1 恒星内部的元素核合成

1．2 恒星的元素丰度

1．3 Ba元素丰度的研究

1．4 研究目的及论文结构

2．观测样本与数据处理

3．大气模型和恒星参数

3．1 恒星大气模型

3．2 恒星大气参数

4．Ba的丰度计算

4．1 Ba原子模型

4．2 统计平衡计算

4．3 谱线轮廓计算

5．结果与讨论

5．1 NLTE影响

5．2 太阳Ball谱线

5．3 恒星中Ba元素的丰度

5．4 s-与r-过程的论证

6．结论

参考文献

致谢