银河系中 r-过程元素的湍流混合

我们结合解析方法与蒙特卡洛模拟，研究了湍流气体扩散对银河系恒星中 $r$-过程丰度的影响。更高的 $r$-过程事件率和更快的扩散导致更高效的混合，对应于 $r$-过程丰度弥散的减小，并使 $r$-过程增丰恒星在更低金属丰度下开始出现。我们利用三项独立观测来约束模型参数：(i) 放射性稳定 $r$-过程元素丰度的弥散，(ii) 在任何太阳邻域恒星中观测到的最大 $r$-过程增丰值，以及 (iii) 早期太阳系中不同放射性 $r$-过程元素的同位素丰度比（$^{244}$Pu/$^{238}$U 和 $^{247}$Cm/$^{238}$U）相对于其形成时的值。我们的结果表明，银河系 $r$-过程率和扩散系数分别为 $r<4\times 10^{-5}\mbox{ yr}^{-1}, D>0.1 \mbox{ kpc}^2\mbox{Gyr}^{-1}$（对于坍缩星或类似高产的 $r$-过程源为 $r<4\times 10^{-6}\mbox{ yr}^{-1}, D>0.5 \mbox{ kpc}^2\mbox{Gyr}^{-1}$），允许值满足近似反相关关系 $D\approx r^{-2/3}$，意味着银河系中两次增丰同一位置的 $r$-过程事件之间的时间为 $\tau_{\rm mix}\approx 100-200\mbox{ Myr}$。这表明早期太阳系中观测到的 $^{247}$Cm（$^{244}$Pu）丰度约有 $0.8$（$0.5$）的比例由一次 $r$-过程事件主导。放射性稳定元素丰度由早期太阳系中约 $10$ 次不同事件的贡献主导。对于贫金属恒星（[Fe/H]$\lesssim -2$），其 $r$-过程丰度由单次或数次事件主导，取决于恒星形成历史。