Neutron capture elements in the early Universe

Abstract

Metal-poor (MP) stars in the Milky Way (the Galaxy) and its satellite galaxies open a window into the earliest times in the history of the Universe, probing the chemistry of the earliest times. Recent galaxy formation simulations predict that the oldest MP stars are those on tightly bound orbits in the inner regions of a galaxy (Tumlinson 2010). Applying this to the Milky Way, MP stars in the bulge would have a higher probability to have formed at higher redshifts compared to MP halo stars.
In this work we have measured the abundances of Sr, Y, Ba and Eu in 48 MP stars from the inner regions of the Galaxy. This is the first time neutron capture elements have been studied for a significant sample of stars in the bulge. Our results show that the bulge sample generally behaves similarly to the halo stars, with some differences. We find an increasing scatter in the abundances of Sr and Ba with decreasing metallicity as in halo stars, this is not the case for Y and Eu where our stars show a constant scatter scale. As reported in François et al. (2007) for their sample, we find an anticorrelation between [Y/Sr] and [Sr/H], this is not seen in other halo samples, more stars at the lowest metallicities are needed to confirm this behavior. Our stars are on average r-enhanced compared to the halo stars with ∼ 50% of the stars having [Eu/Fe]> 0.6, favoring r-process production sites with high yields such as neutron star mergers and magnetorotationally driven supernovae. We find one star with exceptionally high [Sr/Ba]=2.04 and [Y/Ba]= 1.72 that is slightly carbon enhanced with [C/Fe]=0.65. This star could be in a binary system, only a handful of stars from the literature show similar values.
Similar to halo MP stars, we find an anticorrelation between the abundances of the light s-process (ls) elements Sr and Y and the heavy s-process (hs) element Ba. This behavior is not explained using the yields from the main r-process only. We compare our results to Galactic chemical evolution models (one for the halo and another for an old bulge population) that include massive fast-rotating stars (spinstars) as a production site for ls elements at the earliest times along with the main r-process from magnetorotationally driven supernovae. The results from this comparison show that the halo model better matches our data than the bulge model. However, more work on the spinstar models is needed to better predict the trends from our stars. The source of ls elements in the early Universe remains unknown for the time being.

Popular Abstract (Swedish)

Varje stjärna vi ser på himlavalvet en stjärnklar natt tillhör vår galax Vintergatan, och var och en har de en historia att berätta. Målet med astronomi, den äldsta grenen av naturvetenskapen, är att förstå hur dessa magnifika strukturer uppstod och formades till den skepnad de antar i dag. Stjärnor bildas ur enorma gasmoln, och vid slutet av sin livstid slungar de ut sina beståndsdelar i galaxen. Denna process berikar galaxen med nya grundämnen. En stjärna fungerar som ett arkiv över de omständigheter som rådde i det medium ur vilket den skapades. Ur denna synvinkel kan de äldsta stjärnorna i vår galax betraktas som galaktiska fossiler, och genom att studera dem kan vi avslöja vår galax förflutna. Dessa uråldriga stjärnors atmosfärer har alla en gemensam kemisk egenskap: de uppvisar låga halter av metaller (det vill säga grundämnen tyngre än helium.) Ursprunget till denna egenskap är att de föddes vid en tid då endast ett fåtal tidigare stjärngenerationer hade fullbordats. Astronomer benämner dem som metallfattiga stjärnor, eller kortare ”MP” efter engelskans metal poor.
De bästa kandidaterna för att studera de äldsta epokerna är de första stjärnorna som någonsin uppstod, men dessa är tyvärr borta sedan länge. De näst bästa kandidaterna är de stjärnor som bildades av askan från den första generationen. Dessa stjärnor är de som vi i dag observerar som metallfattiga (MP) och gamla stjärnor, och de hjälper oss även att förstå de första stjärnornas natur. Likt arkeologer som avslöjar mänsklighetens historia genom att studera fossiler och artefakter skriver galaktiska arkeologer (astronomer som studerar de allra äldsta stjärnorna) vår galax tidigaste historia genom att leta efter de mest metallfattiga gamla stjärnorna.
I detta arbete mätte vi förekomsten av fyra tunga grundämnen (Sr, Y, Ba och Eu) i 48 MP-stjärnor som befinner sig i galaxens inre regioner (kallad utbuktningen.) Vi tror att dessa stjärnor är några av de äldsta som någonsin skådats. Genom att studera före- komsten av ovan nämnda grundämnen i de äldsta stjärnorna kan vi skapa en bättre bild över hur de bildades i universums barndom. Dessa tunga grundämnen bildas genom en process kallad neutroninfångning (n-capture), vilken kan delas in i två grenar kallad snabb process (r-process) och långsam process (s-process). Dessa grenar bidrar på var sitt sätt till produktionen av tunga ämnen. Syftet med detta arbete är att hjälpa till att identifiera var den tidiga produktionen av tunga element ägde rum. Denna information hjälper oss i sin tur att förstå hur de första stjärnorna var uppbyggda, samt hur de dog.
Det centrala resultatet av arbetet är att våra stjärnor mestadels beter sig likt MP- stjärnor från de yttre regionerna av galaxen, med vissa skillnader. Denna överensstämmelse mellan stjärnor från olika regioner betyder att den kemiska anrikningshistoriken är likartad. Vi jämförde även våra resultat med vissa teoretiska modeller som förutspår en möjlig produktionsplats för dessa ämnen. Resultaten från jämförelsen visar att mer arbete behövs för att förbättra modellernas överensstämmelse med empiriska observationer. Det saknas ännu förståelse för hur lätta grundämnen producerades genom neutroninfångning i det tidiga universumet.

• author: Abohalima, Abdalrahman
• supervisor: Louise Howes
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: metal-poor, early Universe, neutron capture
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2017-EXA110
• language: English
• id: 8910305
• date added to LUP: 2017-06-09 17:25:34
• date last changed: 2017-06-09 17:25:34