贫金属星的化学丰度研究

摘要

贫金属星是研究宇宙早期恒星形成和星系化学演化的重要工具。本文通过三个不同的工作，探究了如何从海量数据中搜寻感兴趣的贫金属星，以及从贫金属星独特的化学组成探讨宇宙早期恒星化学元素的增丰机制和演化历史。
　　 本文的第一部分介绍一个搜寻由“对不稳定性”超新星(Pair-InstabilitySupernovae，PISNe)爆发增丰的贫金属星的工作。理论研究提出，第一代大质量的恒星(140～260M⊙)以PISNe爆发的形式结束生命，爆发喷射的化学物质增丰了后几代恒星形成的环境，然而目前并没有任何观测证据验证此类超新星爆发的存在。这类超新星爆发最重要的特征就是“奇－偶效应”和相对于铁元素的钙元素明显增丰，本工作便是利用后者在Sloan Digital SkySurvey(SDSS)的低分辨率光谱中搜寻具有PISNe爆发化学遗迹的贫金属星。SDSS的数据处理流程(SSPP)测定金属丰度的方法中大多数利用了CaⅡ H/K线及Ca和Fe丰度的统计相关关系，因此得到的金属丰度与Ca丰度有一定的相关性。而我们的工作是将叠加两根FeⅠ线直接得到的[Fe/H]与SSPP给出的金属丰度相比较，从而选出Ca可能增丰的贫金属星。在12，300颗恒星中，最终选出18颗星具有与Fe相比增丰的Ca丰度。接下来的工作，将对这些候选体的较高分辨率光谱(ESO VLT/XSHOOTER)进行分析，验证我们测定铁元素丰度方法的可靠性，并寻找其他PISNe的化学特征。
　　 第二部分的工作分析了253颗具有－3.5<[Fe/H]<－1.0的恒星的钍丰度。分析使用了在Hamburg/ESO R－process Enhanced Star Survey(HERES)巡天中利用ESO VLT-UT2/UVES观测的“snapshot”光谱。最终我们得到17颗星1σ探测精度的钍元素丰度，以及另外60颗星的钍元素丰度上限。对5颗之前工作中研究过的贫金属星，我们的分析给出了一致的结果。这批贫金属星中的钍丰度覆盖4.0dex的范围，log(Th/Eu)比率在低金属丰度时出现的弥散，支持了之前的研究提出的r过程化学产出不一致的假说。利用Th元素的衰变特性，我们估算了12颗星的年龄，发现这些贫金属星的年龄分布存在弥散，尤其发现了两颗相对于Eu元素，Th异常增丰的贫金属星，这表明与其他中子俘获元素相比，Th元素与之前研究中提到的U元素可能存在不同的增丰机制，从而也指出了利用log(Th/Eu)来估算贫金属星年龄存在的风险。
　　 第三部分的工作是分析一颗超贫金属星HE0557-4840([Fe/H]～-4.8)的化学元素丰度。之前的研究结果表明这颗星是一颗C增丰而中子俘获元素不增丰的贫金属巨星(CEMP-no)。我们利用了2006年和2007年两次的观测光谱，将共同波长覆盖范围内的光谱信噪比提高了√2倍，且与之前的工作相比，使用了更多位于蓝端的金属谱线，分析了除C、N、O外21种元素的丰度。分析中还利用将同一元素相同电离态的不同谱线叠加的方法来进一步提高谱线信噪比。结果确认了之前工作中Li、Na、Mg、Al、Sc、Ti等的丰度，改进了重元素的丰度上限，并首次测定了Si和Zn的丰度。另外，由于在贫金属星中，1D/LTE假设已经不足以准确描述大气层的结构和状态，因此我们计算了大多数元素的NLTE和3D改正。最后将3D/NLTE丰度结果与可能对该贫金属星进行化学增丰的超新星爆发模型进行了比较和讨论。