中国科学院国家天文台研究揭示富钡恒星的起源

近期，中国科学院国家天文台张萌博士与北京大学张华伟研究员、云南大学刘晓为教授等人利用LAMOST对主序星和亚巨星的钡元素丰度开展了系统研究，发现了一批钡元素丰度显著增丰的富钡恒星，它们的钡元素相对含量为太阳的10-1000倍，并通过化学运动学分析，研究团队揭示了这类恒星起源于至少两种不同的形成机制。该工作对清晰完整地认识此类恒星的形成机制，并深入了解银河系星族的性质具有重要的科学意义。研究成果已发表在知名学术期刊《天体物理学报》（2023,ApJ,946,110）。

(资料图)

钡元素（Ba）是恒星演化过程中以慢中子俘获过程为主形成的重元素（原子序数为56）。钡元素的形成主要发生在小质量恒星演化晚期的渐进巨星分支（AGB）阶段，主要通过AGB阶段恒星内部的核反应过程产生。这些恒星内部产生的钡元素可以通过恒星演化的第三次挖掘过程搬运到恒星表面，并抛射增丰到星际介质中，增丰下一代恒星。 

在观测上，大部分恒星的钡元素含量与太阳相当。但是，前人的研究也发现了一些钡元素增丰的恒星，主要为巨星。这些巨星之所以钡元素含量高，可能是因为它们经历了AGB阶段的内部挖掘过程；也可能是双星演化中从经历了AGB阶段的伴星上吸积了富钡物质的红巨星。然而，对于矮星和亚巨星，钡元素丰度的研究还很少。利用LAMOST巡天光谱数据，研究人员测定出了数百万恒星（包括矮星、亚巨星、巨星等）的钡元素丰度，相对于国际上的其他光谱巡天，这是一个非常独特的元素丰度样本。 

之前，研究团队在LAMOST数据中发现了一批高温富钡矮星，这些矮星的主要是中等质量的恒星（大于1.4倍太阳质量），且温度大于6700 K。它们辐射压较大，与引力的抗衡最终导致恒星内部元素迁移，从而产生了钡元素含量增加的现象。该研究成果中的富钡恒星则主要是温度为5000-6700K、质量范围约为0.9-1.4倍太阳质量的FGK型矮星和亚巨星。这类小质量恒星，不同于巨星，自身不能合成钡元素；也不同于高温的矮星，这类恒星的对流包层厚，辐射压小，恒星内部迁移搬运效应有限，能否产生钡元素增丰现象尚未可知。 

这类低温、小质量的钡元素增丰矮星是否普遍存在？它们的起源是什么？该研究团队基于LAMOST大样本光谱数据首次给出了答案。 

研究人员利用LAMOST低分辨率巡天的恒星元素丰度星表，在101万颗高质量（信噪比大于50）恒星数据库中发现了8400多颗钡元素增丰的小质量矮星和亚巨星，占整个星族的比例接近1%，它们的钡元素含量为太阳的10-1000倍。在此基础上，研究人员进一步细致分析了这些恒星的C、N、Mg、Al、Si等元素的丰度分布模式；并将LAMOST数据与Gaia数据结合，获取和分析了这些恒星在六维相空间的运动学性质。 

研究发现，这些富钡恒星的形成机制主要有两种：一是恒星内部元素的搬运过程导致了钡元素含量增加；二是双星演化过程中的物质交换引起了钡元素含量增加。其中大约1/3的恒星可能经历了双星演化过程中的物质交换，它们不仅钡元素丰度高，C和N元素也显著增丰，这符合恒星演化过程中AGB阶段内部核合成产生的元素丰度模式，并与过去人们对钡增丰巨星的形成机制的认识是一致的。另有2/3的恒星没有显示出明显的C和N元素增丰，而是呈现出Mg，Ti，Ni等元素丰度的异常。其中，Mg元素丰度比普通恒星更低，这与高温、中等质量钡元素增丰的恒星情况相似。因此，研究人员推测这些低温、小质量恒星的钡元素增丰现象也有可能是由于内部元素搬运效应导致的。然而，研究发现对于其它元素，这些小质量恒星具体的增丰模式与高温、中等质量恒星有显著不同，其中的原因仍待深入研究。 

图1、LAMOST DR5样本中的矮星和亚巨星在[Fe/H]-[Ba/Fe]化学丰度上的分布，可以看到大多数恒星的[Ba/Fe]在0.0左右（太阳丰度比），但是在同样[Fe/H]下，Ba与Fe的丰度比也有很大的跨度（4-5个数量级），有部分恒星的[Ba/Fe]丰度显著偏高（[Ba/Fe]>1.0）。 

与此同时，该研究还发现钡元素增丰的矮星和亚巨星相对于富金属的α元素含量高的厚盘星所占比例明显偏低。基于AGB阶段恒星增丰模型，研究人员认为这一效应可能与小质量（约1.3倍太阳质量）的AGB阶段恒星表面的钡元素丰度值随金属丰度的增加明显降低有关。 

该研究成果充分发挥LAMOST光谱数据的大样本优势，对富含钡元素的矮星和亚巨星这类化学丰度特殊的恒星进行了系统性地搜寻和研究分析，初步揭示了它们的运动学和化学分布性质及起源机制，为深入理解恒星的演化过程奠定了基础。 

文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acbcc4。 

图 2  LAMOST矮星和亚巨星的C、N元素丰度随金属丰度的分布，等值线表示的是Ba元素丰度正常的恒星，带颜色的点表示富Ba恒星，颜色表示温度。 

（原标题：研究人员基于LAMOST数据揭示富钡恒星的起源）