 |
The origin of the elements heavier than iron
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
130405 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Lugaro, Maria |
| Title in Hungarian |
A vasnál nehezebb elemek eredete |
| Title in English |
The origin of the elements heavier than iron |
| Keywords in Hungarian |
nukleoszintézis, AGB csillagok, elemgyakoriság |
| Keywords in English |
nucleosynthesis, AGB stars, abundances |
| Discipline |
| Astrophysics (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Astronomy (Council of Physical Sciences) | 25 % | | Ortelius classification: Astrophysics | | Nuclear Physics (Council of Physical Sciences) | 25 % |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Konkoly Thege Miklós Astronomical Institute (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences) |
| Participants |
Cseh, Borbála
Doherty, Carolyn
Molnár, László
Plachy, Emese
Világos, Blanka
|
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2021-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
19.976 |
| FTE (full time equivalent) |
4.50 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A projekt fő célja megérteni a vasnál nehezebb elemek kozmikus eredetét. Ezen elemek keletkezésért a gyors (rapid, r) (ahol a neutronsűrűség > 10^20 cm^-3) és a lassú (slow, s) (< 10^10 cm^-3) neutronbefogási folyamatok felelősek. Míg az első folyamat neutroncsillagok ütközésekor és ritka típusú magösszeomlást szenvedő szupernóvákban fordul elő, addig a második leginkább aszimptotikus óriásági (AGB)-csillagokban történik. Ezek olyan csillagok, melyek életük végén nagyjából 1-5 naptömeggel rendelkeznek. Célunk, hogy az AGB csillagokban végbemenő s-folyamatot leíró modellekből az eddigi legmegbízhatóbb előrejelzésekhez jussunk, azáltal, hogy összehasonlítjuk a modelleket az AGB és kapcsolódó csillagok kémiai elemgyakoriságát szolgáltató spektroszkópiai megfigyelésekkel. Az objektumok listája tartalmaz poszt-AGB csillagokat és planetáris ködöket (ezek az AGB-csillagok utódainak tekinthetők), valamint kettős rendszerbeli AGB-k kísérőobjektumaikat is, melyek tömeget nyerhettek az AGB-csillagoktól (Ba-csillagok, CH és CEMP csillagok). Arra utaló jelek is vannak, hogy egy új neutronbefogási folyamat, az un. intermediate (i) folyamat is végbemegy az AGB és kapcsolódó csillagokban. Ennél a neutronsűrűség az r- és az s-folyamatokra jellemző érték között van. Ennek a folyamatnak a modellezése egyelőre gyerekcipőben jár, és az sem világos, hogy pontosan milyen csillagokban megy végbe. Olyan megfigyelési jellemzőket keresünk, melyekkel segíthetjük a i-folyamat modellezését, és annak meghatározását, hogy mely csillagokra jellemző.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatási pályázat fő kérdése az, hogy az AGB és kapcsolódó csillagokban milyen fizikai feltételek és hozzájuk kapcsolódóan milyen neutronbefogási folyamatok reprodukálják legjobban a vasnál nehezebb elemek spektroszkópiai úton megfigyelt gyakoriságát? Ezek a csillagok jelentős többletet mutatnak a vasnál nehezebb elemekből. Ez a feldúsulás nem lehetett jelen a csillag születésekor, ellenkezőleg: lokális folyamatok eredménye kell, hogy legyen. Létrejöttéért vagy belső nukleoszintézis (az AGB, poszt-AGB, és planetáris ködök esetében), vagy pedig egy AGB kísérőcsillagtól való tömegakkréció (a Ba, CH és CEMP csillagok esetén) lehet felelős. Feltehetjük, hogy eme csillagokban megfigyelt szabályszerűségeket az s- vagy i- folyamatok valamelyik változata hozta létre. Különlegesen sokatmondóak ebben a tekintetben a relatív elemgyakoriságok, pl. a Ce/Y, a Ba/La és a Pb/W. Ennek az az oka, hogy a relatív elemgyakoriságok csak a neutronfluxusra és a részt vevő atommagok jellemzőire érzékenyek, és nem függenek jelentősen a keveredési folyamatoktól és a kettős rendszerbeli kölcsönhatások részleteitől, amiket nagyon bizonytalanul ismerünk. Ezek alapján a következő fő kérdésekre tudunk válaszolni: 1) Mi a potenciális hatása az AGB csillag tömegének, fémtartalmának, forgásának, konvektív túllövésének és mágneses terének a benne végbemenő s folyamatra? 2) Az AGB csillagok családján belül mely csillagok mutatják az i-folyamat jellemzőit a legkézzelfoghatóbban? A kérdések megválaszolásához elemezzük az összes elérhető spektroszkópiai információt, különös tekintettel a hibaanalízisre, és összehasonlítjuk őket korábbi és új modellszámításokkal egyaránt.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Miután a GW170817 jelű gravitációshullám-eseményt az elektromágneses tartományban egy kilonóvával sikerült azonosítani, melyet az r folyamat által létrehozott radioaktív elemek fűtenek, egyre biztosabbak lehetünk abban, hogy a neutroncsillag-ütközésekben végbemegy az r-folyamat. Azonban ezen események megfigyelése nem teszi lehetővé a részletes elemgyakoriságok vizsgálatát, míg az AGB csillagokban és rokonaikban közvetlenül mérhetjük ezeket a gyakoriságokat és részletesen tesztelhetjük az s-folyamatot leíró modelleket. A r-folyamat megértésének első lépése minél pontosabb képet kapni a s-folyamatról, mivel – ahogy ebben a pályázatban javasoljuk – ha a teljes Napra jellemző elemgyakoriságból levonjuk az AGB-csillagokban az s-folyamat által előállított gyakoriságokat, akkor megkapjuk az r-folyamat által generált gyakoriságokat, amivel részletesen tesztelhetjük az r-folyamatra vonatkozó modelljeinket („r-reziduál módszer”). Továbbá a Cseh és mtsai (2018) munkánkban a Ba-csillagokat és az s-folyamat modelljeit vizsgálva arra jutottunk, hogy a csillagok magjának forgása valahogy lelassul a vörös óriás ágon, ez megegyezik a Kepler-űrtávcsővel kapott csillagszeizmológiai adatokból leszűrt következtetésekkel. Csoportunk egyedülálló erőssége abban rejlik, hogy mind a nukleoszintézis, mind a szeizmológia terén járatosak vagyunk, és nemzetközileg elismert csoportunk tagjainak egymást jól kiegészítő ismeretei vannak. Ezek között említhető az AGB csillagok, valamint az s- és i-folyamatok modellezése, és a spektroszkópiai és szeizmológiai megfigyelésekben és azok feldolgozásában szerzett jártasság.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A csillagászati értelemben vett „nehéz elemek” építik fel világunk nagy részét, és tették lehetővé technológiai fejlődésünket is: aranyból és ezüstből ékszereket készítünk, kopásálló wolframbevonatot használunk, az autóakkumulátorok ólmot tartalmaznak. Ritkaföldfémek nélkül pedig nem lenne számítógép-memóriánk, DVD-ink, újratölthető elemek, mobiltelefon, fluoreszcens világítás és még sok minden más. Időnként még jódot is szedünk, a pajzsmirigy hormonjaink karbantartására, amik anyagcserénket szabályozzák. Az a közös ezekben az elemekben, hogy nehezebbek a vasnál, ami azt jelenti, hogy az atommagjukban sok pozitív töltés van, és az egyetlen módja, hogy ilyen elemek keletkezzenek, ha semleges neutronokat adunk hozzájuk. A neutronok bejuttatása az atommagba könnyű, a probléma ott van, hogy van-e elég szabad neutronunk, hiszen a neutron 15 perc alatt protonná bomlik. Azért, hogy a neutronbefogás megtörténhessen, különleges helyekre van szükség a csillagokban. A neutronbefogás helyei az Univerzumban az óriáscsillagok forró belső régiói és a neutroncsillagok ütközése. Ez utóbbit először sikerült megfigyelni 2017 augusztusában gravitációs hullámok révén. Ebben a projektben olyan különleges csillagokat vizsgálunk, amik nehéz elemekben gazdagok, például 100-szor több wolframot tartalmaznak a vashoz viszonyítva, mint Naprendszerünk. Ezekből a megfigyelésekből arra tudunk következtetni, hogy miként állítják elő a csillagok az olyan nehéz elemeket, mint a wolfram, a nehéz elemek hogyan jutnak ki a csillag belsejéből, és végül hogyan kerülnek az olyan kőzetbolygókba, mint a Föld.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The major aim of this project is to understand the cosmic origin of the elements heavier than iron. Neutron captures are responsible for the creation of these elements via the rapid (r) process (at neutron densities > 10^20 cm^-3) and the slow (s) process (< 10^10 cm^-3). While the former is believed to occur in neutron star mergers and potentially in rare types of core-collapse supernovae, the latter occurs mostly in asymptotic giant branch (AGB) stars, i.e., stars of mass between one and roughly five times the mass of the Sun during the final stages of their lives. We want to obtain the most robust predictions possible from AGB s-process models by comparing the results of such models to spectroscopic observations of chemical abundances in AGB stars and their family. These include their progeny (post-AGB stars and planetary nebulae) as well as their binary companions, which have accreted mass from the AGB star (Ba stars, CH, and CEMP stars). Furthermore, we already have hints that a new process of neutron captures, the intermediate (i) process with neutron densities between those of the s and the r processes, also occurs in stars belonging to the AGB family. The modelling of this process is still in its infancy and the stellar sites in which it occurs still a puzzle. We want to identify new signatures of the i process to constrain its modelling and its stellar site.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main research question addressed in this proposal is: Which stellar physical conditions and related neutron-capture processes can reproduce the abundances of the elements heavier than iron observed via spectroscopy in AGB stars and their family. These stars have large enhancements in the abundances of the elements heavier than iron and such excesses were not present when the star was born, instead, they were gained via local processes: either internal nucleosynthesis (in the case of AGB, post-AGB stars, and planetary nebulae), or accretion from an AGB companion (Ba, CH, and CEMP stars). We can safely assume that the patterns of all these stars should be explained by some flavour of the s or the i processes. Particularly constraining are the relative elemental abundances, e.g. Ce/Y, Ba/La, and Pb/W. This is because they depend almost exclusively on the neutron flux and the nuclear properties of the nuclei involved, and do not depend significantly on mixing and binary interactions, which are very uncertain. From these premises, we can answer the following main questions: 1) What are the potential effects of stellar mass, metallicity, rotation, overshoot at convective boundaries, and magnetic fields on the s process in AGB stars? 2) Which stars within the AGB family show the clear signature of the i process? To answer these questions we will analyse all the currently available spectroscopic information, focusing on the error analysis, and compare them to existing and new model predictions.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
After the discovery that the neutron star merger gravitational wave event GW170817 corresponds across the electromagnetic spectrum to a kilonova powered by radioactive elements produced by the r process, we are now somewhat confident that the r process occurs in neutron star mergers. However, it is not possible to observe from these events the detailed abundances of the elements produced, while we can observe these abundances directly in AGB stars and their family and use them to carefully test the s-process models. The first step to better understand the r process is to reach robust s-process predictions, as we propose here, because by subtracting AGB model s-process abundances from the total solar abundances we can derive the detailed r-process abundances to be used to constrain the r-process models (the “r-residual” method). Furthermore, in our paper Cseh et al. (2018) we concluded from analysis of s-process models and Ba stars that stellar cores must slow down somewhere along the giant branch; this same result was previously derived based on stellar seismology data obtained from the Kepler satellite mission. Our unique strength is in the ability to combine information from nucleosynthesis and from stellar seismology and in the diversity and complementarity of the expertise of our internationally recognised team, which includes modellers with specific expertise on AGB stars, the s and the i process, and observers with specific expertise on spectroscopy and stellar seismology.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Heavy elements make up much of our world and have allowed many of our techological advances: we make jewels with gold and silver, wear-resistant coatings from tungsten, car batteries using lead, and without the rare earth elements we would not have computer memories, DVDs, rechargeable batteries, cell phones, fluorescent lighting and much more. We even need to absorb iodine into our bodies to make the thyroid hormones that control our metabolism. What is common to all these elements is that they are heavier then iron, which means that their atomic nucleus is highly charged and the only way to create them in the Universe is by adding neutrons, which have no electric charge. Adding neutrons to atomic nuclei is easy, the problem is to have free neutrons available in the first place, since these decay into protons in 15 minutes. This is why we need special places within stars for neutron captures to happen. The main locations of neutron captures in the Universe are the hot regions deep inside giant stars and the mergers of neutron stars, such as that detected in August 2017 via its gravitational waves. In this project we investigate special stars that are very rich in heavy elements. They contain, for example, 100 times more tungsten relative to iron than the solar system. From these observations we derive how these stars make elements such as tungsten in their interiors and then eject them, so that that all these elements can be eventually found in the crust of rocky planets like the Earth.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Hampel, Melanie; Karakas, Amanda I.; Stancliffe, Richard J.; Meyer, Bradley S.; Lugaro, Maria: Learning about the Intermediate Neutron-capture Process from Lead Abundances, The Astrophysical Journal, 2019 | | Hampel, Melanie; Karakas, Amanda I.; Stancliffe, Richard J.; Meyer, Bradley S.; Lugaro, Maria: Learning about the Intermediate Neutron-capture Process from Lead Abundances, The Astrophysical Journal, 2019 | | Lugaro, Maria; Cseh, Borbála; Világos, Blanka; Karakas, Amanda I.; Ventura, Paolo; Dell'Agli, Flavia; Trappitsch, Reto; Hampel, Melanie; D'Orazi, Valentina; Pereira, Claudio B.; Tagliente, Giuseppe; Szabó, Gyula M.; Pignatari, Marco; Battino, Umberto; Tattersall, Ashley; Ek, Mattias; Schönbächler, Maria; Hron, Josef; Nittler, Larry R.: Origin of Large Meteoritic SiC Stardust Grains in Metal-rich AGB Stars, The Astrophysical Journal, 2020 | | Ventura, P.; Dell'Agli, F.; Lugaro, M.; Romano, D.; Tailo, M.; Yagüe, A.: Gas and dust from metal-rich AGB stars, Astronomy & Astrophysics, 2020 | | Kobayashi, Chiaki; Karakas, Amanda I.; Lugaro, Maria: The Origin of Elements from Carbon to Uranium, The Astrophysical Journal, 2020 | | Joyce, Meridith; Leung, Shing-Chi; Molnár, László; Ireland, Michael; Kobayashi, Chiaki; Nomoto, Ken'ichi: Standing on the Shoulders of Giants: New Mass and Distance Estimates for Betelgeuse through Combined Evolutionary, Asteroseismic, and Hydrodynamic Simulations with MESA, The Astrophysical Journal, 2020 | | Roriz, M. P.; Lugaro, M.; Pereira, C. B.; Sneden, C.; Junqueira, S.; Karakas, A. I.; Drake, N. A.: Heavy elements in barium stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021 | | Ventura, P.; Dell'Agli, F.; Romano, D.; Tosi, S.; Limongi, M.; Chieffi, A.; Castellani, M.; Tailo, M.; Lugaro, M.; Marini, E.; Yague Lopez, A.: Gas and dust from extremely metal-poor AGB stars, Astronomy & Astrophysics, 2021 | | Audenaert, Jeroen; Kuszlewicz, James S.; Handberg, Rasmus; Tkachenko, Andrew; Armstrong, David J.; Hon, Marc; Kgoadi, Refilwe; Lund, Mikkel N.; Bell, Keaton J.; Bugnet, Lisa; Bowman, Dominic M.; Johnston, Cole; García, Rafael A.; Stello, Dennis; Molnár, László; Plachy, Emese; Buzasi, Derek; Aerts, Conny; the T'DA collaboration: TESS Data for Asteroseismology (T'DA) Stellar Variability Classification Pipeline: Set-Up and Application to the Kepler Q9 Data, The Astronomical Journal, 2021 | | Roriz, M. P.; Lugaro, M.; Pereira, C. B.; Drake, N. A.; Junqueira, S.; Sneden, C.: Rubidium in Barium stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021 | | Plachy, E.; Pál, A.; Bódi, A.; Szabó, P.; Molnár, L.; Szabados, L.; Benkő, J. M.; Anderson, R. I.; Bellinger, E. P.; Bhardwaj, A.; Ebadi, M.; Gazeas, K.; Hambsch, F. -J.; Hasanzadeh, A.; Jurkovic, M. I.; Kalaee, M. J.; Kervella, P.; Kolenberg, K.; Mikołajczyk, P.; Nardetto, N.; Nemec, J. M.; Netzel, H.; Ngeow, C. -C.; Ozuyar, D.; Pascual-Granado, J.; Pilecki, B.; Ripepi, V.; Skarka, M.; Smolec, R.; Sódor, Á.; Szabó, R.; Christensen-Dalsgaard, J.; Jenkins, J. M.; Kjeldsen, H.; Ricker, G. R.; Vanderspek, R.: TESS Observations of Cepheid Stars: First Light Results, The Astrophysical Journal Supplement Series, 2021 | | Ripepi, V.; Catanzaro, G.; Molnár, L.; Plachy, E.; Marconi, M.; Clementini, G.; Molinaro, R.; De Somma, G.; Leccia, S.; Mancino, S.; Musella, I.; Cusano, F.; Testa, V.: HD 344787: a true Polaris analogue?, Astronomy & Astrophysics, 2021 | | Plachy, Emese; Szabó, Róbert: RR Lyrae stars as seen by the Kepler space telescope, Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 2021 | | The Gaia Collaboration, Klioner, et al.: Gaia Early Data Release 3. Acceleration of the Solar System from Gaia astrometry, Astronomy & Astrophysics, 2021 | | Gaia Collaboration ; Antoja, T. et al.: Gaia Early Data Release 3. The Galactic anticentre, Astronomy & Astrophysics, 2021 | | Gaia Collaboration ; Luri, X. et al.: Gaia Early Data Release 3. Structure and properties of the Magellanic Clouds, Astronomy & Astrophysics, 2021 | | Gaia Collaboration ; Smart, R. L. et al.: Gaia Early Data Release 3. The Gaia Catalogue of Nearby Stars, Astronomy & Astrophysics, 2021 | | Gaia Collaboration ; Brown, A. G. A et al.: Gaia Early Data Release 3. Summary of the contents and survey properties, Astronomy & Astrophysics, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
