贫金属星重元素丰度的研究

谢革英 范 虹 张翠明 张利刚

（1.河北建筑工程学院数理系，河北 张家口075024；2.石家庄职业技术学院信息工程系，河北 石家庄050000）

1 引 言

比铁族元素更重的元素叫重元素，中子俘获在恒星元素核合成方面起主导作用.由于铁族核素间强大的库仑斥力作用，在低温的情况下比铁族更重的核素已经不能通过克服库仑势垒的核聚变来产生.而俘获中子的核反应无须克服库仑势垒，温度不是很高的情形下就可以很容易地发生.在恒星元素核合成方面，有两种中子俘获过程［1］：快中子俘获（r-）过程和慢中子俘获（s-）过程，分别产生于彼此独立的、不同物理环境中.r-过程产生于爆炸的天体物理环境中，s-过程产生于红巨星内部宁静的He燃烧阶段.s-过程又分为s-弱分量（s-weak）和s-强分量（s-main），其中弱分量是指较轻（原子质量数≤90）的中子俘获元素，主要产生于大质量的恒星内部核心氦燃烧阶段；强分量主要产生于中、小质量AGB星氦壳层燃烧过程中.

贫金属星被称为是包含着银河系化学演化历史的“化石”，研究其中子俘获核合成元素丰度分布，对检验核合成理论和探索星系形成早期化学演化具有十分重要的意义.贫金属星产生于银河系极早期，其表面大气化学组成记录了银河系早期演化过程中恒星形成时星际物质的金属丰度，因此，一直是人们关注的焦点之一.近年来，随着原子数据测量的精确度提高及恒星大气模型的改进，元素丰度的资料也日趋精确，恒星大气的化学元素丰度随着恒星金属丰度［Fe／H］的变化趋势对星系演化模型给出观测上的限制，检验模型的合理性.

由于太阳系的核素分布是迄今为止得到的唯一详细的核素丰度分布，常将其作为标准的丰度分布.星族I恒星取与太阳系核素丰度相似的分布，星族Ⅱ贫金属星的重元素丰度明显与太阳系的丰度分布不同.贫金属星丰度的差异不仅反映了其核合成环境不同于太阳系，而且也表明了银河系早期的化学成分不同于太阳星云.Zhang等人［2］提出了r、弱s、主要s等三个不同核合成过程对恒星元素丰度贡献的方法，谢等人［3］对参数化模型做了改进.本文用新模型对贫金属星的重元素丰度所对应的核合成过程做了进一步分析.

2 模型及计算

将太阳系核素分布作为标准的丰度分布，贫金属星的第i种元素的丰度计算公式［2］：

其中 Ni，＊，cal代表贫金属星的第i种元素丰度计算结果，Ni，r、Ni，s，w、Ni，s，m分别取自太阳系的r、弱s、主要s核合成过程的元素丰度，C1、C2、C3为对应过程的分量系数，［Fe／H］＊是贫金属星的金属丰度.

太阳系的分量系数C1＝C2＝C3＝1.最新的太阳系观测资料［4］显示，Ba和Eu的丰度来自于主要s过程和r过程贡献，Sr丰度弱s过程占的比例较大.本文取Eu、Sr、Ba作为贫金属星各种过程核合成的典型元素，由太阳系的三种元素丰度代入方程和贫金属星的观测值计算出C1、C2、C3和贫金属星中其它的重元素丰度.

3 计算结果与分析

选取-2＜［Fe／H］、［Fe／H］＜-2两个金属丰度区间的各两颗星：HD 134169、HD 63077和 HD 6268、HD 115444，它们的观测结果取自文献［5，6］，本文研究不同金属丰度的环境下三种核合成过程对贫金属星中子俘获元素丰度的贡献.下图是贫金属星的重元素的丰度与观测结果进行比较.图中带误差棒的实心圆点代表观测值，折线代表计算结果.

图2 计算得到的恒星HD 121384 重元素丰度与观测结果的比较

图3 计算得到的恒星HD 6268重元素丰度与观测结果的比较

图4 计算得到的恒星HD 115444 重元素丰度与观测结果的比较

图1 、图2给出了位于［Fe／H］＞-2区间贫金属星重元素丰度的计算与观测结果的比较.由图可见，较轻的中子俘获元素（如Sr，Y，Zr）的丰度计算值与观测值符合的更好.与［Fe／H］＜-2金属丰度区间的恒星相比，［Fe／H］＞-2区间的C1、C2、C3都更接近于1，说明，越接近太阳金属丰度（［Fe／H］＝1）的恒星，其重元素核合成过程越接近于太阳系的值.

图3、图4给出了位于［Fe／H］＜-2区间贫金属星重元素丰度的计算与观测结果的比较.两颗星均出现C1＞1，且C3＜1，这表明，其r-过程分量对重元素丰度的贡献比例大于太阳系的，而主要s过程分量的贡献比太阳系中的小.由于r-过程主要产生于大质量恒星，主要s过程主要产生在中、小质量的AGB星中，而且，大质量恒星的寿命较短，在星系形成早期对重元素就有可观的贡献，中、小质量恒星的寿命较长，在星系形成早期对重元素丰度的贡献较少.因此，我们的计算结果与恒星的演化理论和星系的化学演化理论是相一致的［7］.

4 结 论

结果表明，金属丰度较高的贫金属星，重中子俘获元素丰度以主要s过程产生为主；金属丰度较低的恒星，重元素丰度主要是由r-过程合成的，星系早期弱s过程对元素丰度的贡献非常小.计算结果与恒星的演化理论和星系的化学演化理论是相一致的，体现了本文模型的合理性，为贫金属星的核合成理论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］谢革英，张波，李宏杰等，天文学报，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