王 双 杨国超 张 璐 李宏杰 张 波

(1 河北科技大学理学院石家庄 050018)

(2 河北师范大学数学科学学院石家庄 050024)

(3 河北师范大学物理学院石家庄 050024)

1 引言

贫金属星是宇宙演化早期形成的恒星,保留了第1代恒星以及银河系及近邻矮星系演化极早期的化学特征,因此探究贫金属星化学元素的天体物理来源对于理解宇宙中元素的产生和银河系早期的化学演化历史具有重要意义[1–2].一颗恒星的大气中某种元素的多少用丰度表示,元素X的丰度定义为包含1012个氢原子的物质中所含元素X原子个数ε(X)的对数值,即lgε(X)≡lg(NX/NH)+12.0,式中NX和NH分别为元素X和H的原子个数.元素X和Y的相对丰度[X/Y]≡lg(NX/NY)∗−lg(NX/NY)⊙,下标“∗”代表某颗恒星,“⊙”代表太阳.本文研究的贫金属星是指[Fe/H]<−1.0[3]的恒星.宇宙中Fe族元素以及比其轻的金属元素主要通过恒星内部的核聚变产生;而比Fe族元素更重的元素主要通过中子俘获过程产生.基于原子核俘获中子和发生β-衰变时标的相对长短,中子俘获过程被分为慢中子俘获(s-)过程和快中子俘获(r-)过程[4].由于天体物理环境及相关物理条件的不同,s-过程被进一步分为主要s-过程和弱s-过程.主要s-过程主要发生在中、小质量星的渐近巨星支阶段,此过程不仅产生轻中子俘获元素(如Sr、Y和Zr),也产生重中子俘获元素(如Ba、La和Pb)[5];弱s-过程主要发生在大质量星燃烧的He核和C壳层,此过程主要产生轻中子俘获元素[6–7].由于s-过程的元素产量具有secondary特性(其产量与恒星初始金属丰度近似正相关),其对贫金属星元素丰度的贡献很小,通常被忽略,因此可认为大多数贫金属星的中子俘获元素主要由r-过程产生(值得注意的是,这些贫金属星不包括位于双星系统中,由于物质吸积导致s-过程元素超丰的恒星)[8].然而Frischknecht等[9–10]研究发现快速自转的大质量贫金属星中能够产生primary中子源(其产量与恒星的初始金属丰度无关),因此能够发生primary弱s-过程.

目前人们对于r-过程的天体物理环境、种子核和中子源等物理信息还很不清楚,一般认为与II型超新星爆发或中子星并合等剧烈的天体物理事件有关[11–12].2017年以来,高新激光干涉仪引力波天文台和室女座引力波探测器(LIGO/Virgo)以及哈勃空间望远镜(HST)等观测到中子星并合事件抛出La系等中子俘获元素,这意味着中子星并合是r-过程元素产生的天体物理场所之一[13–14].由于对r-过程的物理条件和产量不完全清楚,Arlandini等[15]从太阳的观测丰度中减去s-过程丰度从而得到r-过程丰度.根据贫金属星观测丰度的模式特征,r-过程被分为主要r-过程和弱r-过程[16].基于典型主要r-过程星(CS 22892–052和CS 31082–001)和弱r-过程星(HD 122563和HD 88609)的观测丰度,Li等[17]在2013年和Hansen等[18]在2014年分别通过迭代得到了主要r-过程和弱r-过……