Encore récemment, la valeur du rapport isotopique 6Li/7Li n’avait été déterminée que pour juste quelques étoiles, et avec un degré de confiance médiocre (de l’ordre de 2 sigma).

Une augmentation spectaculaire du nombre de ces déterminations s’est produite l’année dernière, avec l’article d’Asplund, Lambert, Nissen et al. (2006) donnant les valeurs du rapport 6Li/7Li pour 24 étoiles déficientes du halo galactique, la plupart placées au coude (turn-off, TO en abrégé) du diagramme HR. Le résultat fût une complète surprise, très loin de ce à quoi l’on s’attendait. Comme 6Li, à l’encontre de 7Li, n’est formé qu’en quantité inobservable dans la nucléosynthèse primordiale, on s’attendait à voir une montée du 6Li avec la métallicité, correspondant à une production par spallation par rayons cosmiques, comme pour les autres éléments légers Be, B, et même 7Li, une fois que sa production par rayons cosmiques a rattrapé son abondance primordiale. Au lieu de cela, l’abondance de 6Li fût trouvée indépendante de la métallicité, formant un plateau parallèle au plateau du 7Li, de [Fe/H]= -2.5 à -1.25. Si on ne retient que les valeurs ayant un degré de confiance meilleur que 2 sigma, la valeur moyenne de 6Li/7Li est de 0.044 avec une déviation standard de 0.012. Plusieurs équipes ont tenté d’expliquer ce résultat inattendu. En particulier Rollinde, Vangioni, et Olive (2006) ont considéré une production du 6Li par fusion prégalactique alpha+alpha, dans des collisions de noyaux accélérés et de noyaux interstellaires, au voisinage de supernovae primordiales. Hubert Reeves (2007) et Jedamzik (2004, 2006) ont exploré d’autres scénarios, ces derniers impliquant des particules supersymétriques. Cependant Prantzos (2006) a souligné d’importantes difficultés énergétiques, spécialement compte tenu du désaccord entre l’abondance cosmologique du 7Li déduite de WMAP, et celle observée dans les sous-naines du plateau des Spite, impliquant que plus de 7Li et de 6Li a été formé que ce que l’on observe dans les étoiles.

Figure 1 : La figure montre la valeur de l’ asymétrie mesurée dans l’étoile du halo HD 74000 pour la moyenne de 5 raies de Fe I, ayant une stratification et une intensité similaire aux composantes du doublet de la raie de résonance du 7Li à 670.8 nm. Les cercles rouges ouverts représentent le profil asymétrique. Les cercles verts représentent la symétrique de l’aile bleue par rapport à la verticale au centre de la raie. La différence entre le profil vert et le rouge, mesure l’asymétrie de la raie. Cette différence est reportée, décalée verticalement à l’ordonnée 1.04. L’effet d’une raie correspondant à un "blend" du 6Li de 4.4 pour cent du 7Li (la valeur du plateau d’Asplund et al. ) est montrée décalée à l’ordonnée 1.02. Les deux signaux sont étonnament ressemblants. De manière à montrer cette dégénescence de façon plus palpable, la courbe noire montre la somme du profil symétrique et du blend du 6 Li. Elle est sur tout son parcourt à +/- un sigma du profil asymétrique sans 6Li, donc confondue observationellement avec la précédente. Les points rouges matérialisent le bissecteur du profil asymétrique. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Les auteurs ont alors décidé d’employer une toute autre voie, consistant à questionner l’existence du plateau du 6Li. La motivation est que les raies du 6Li se forment sur l’aile de la composante correspondante, beaucoup plus forte, du 7Li. Or une asymétrie des raies est engendrée par les mouvements convectifs dans les atmosphères stellaires, en particulier quand ceux-ci atteignent des couches élevées de la photosphère, le cas pour les étoiles pauvres en métaux dans lesquelles le 6Li a été observé. Les analyses fondées sur des modèles 1D ne prennent pas en compte ces asymétries, et utilisent donc un faux pseudo-continu dans la mesure de l’absorption du 6Li dans l’aile d’une raie du 7Li.

Le degré d’asymétrie des raies dans l’étoile du TO, déficiente en métaux HD74000 a été déterminé sur une pose cumulée de 20 heures, prise avec le spectrographe HARPS, monté sur le télescope de 3.6m de l’ESO. Le choix de ce spectrographe était motivé par son excellente performance dans la mesure des longueurs d’onde. Un rapport signal/bruit de 600 par pixel a été atteint, nécessaire pour mesurer le très faible signal du 6Li. Comme l’asymétrie de la raie de résonance du 7Li est contaminée par la présence potentielle du "blend" du 6Li, il est évidemment nécessaire d’étudier l’asymétrie des raies sur d’autres raies dépouvues de blend. Cinq raies propres du Fe I ont donc été choisies, présentant une stratification similaire à celle de la raie du Li (niveau inférieur avec même distance en énergie du niveau d’ionisation ), et des intensités proches des composantes du doublet du 7Li.

La moyenne de leur profils, ramenés à une profondeur centrale commune, et convoluée par une gaussienne prenant en compte la différence d’élargissement thermique entre le fer et le lithium est visible sur la figure 1 (cercles rouges ). L’asymétrie est matérialisée par la différence entre la vraie aile rouge et l’aile symétrique de l’aile bleue (cercles verts). Le signal correspondant à cette asymétrie est montrée, pour clarifier, à l’ordonnée 1.04. Pour comparaison, le signal correspondant à un blend de 4.4 pour cent de l’abondance du 7Li (celle du plateau d’Asplund et al.) est montré, pour plus de clarté, à l’ordonnée 1.02. Clairement, il existe un haut niveau de dégénérescence entre ces deux signaux. la principale différence est le fait que l’asymétrie est maximum à 6.1 km/s du centre de la raie, alors que le blend du 6Li est localisé à 7.14 km/s. Afin de rendre cette dégénérescence plus palpable, la figure 1 montre une courbe continue noire, engendrée par le profil symétrique plus le blend. Bien que ne coïncidant pas avec le profil asymétrique sans 6Li, elle est toujours dans +/- 1 sigma de l’erreur observationelle, donc pratiquement indiscernable.

A ce point on peut déjà conclure que l’asymétrie recherchée existe, et qu’elle a une amplitude suffisante pour mimer un blend du 6Li au niveau trouvé par Asplund et al. (2006).

Puis l’équipe a voulu corroborer l’approche observationelle par un contrôle théorique. Pour cela, le code 3D-NLTE développé par M. Steffen et R. Cayrel pour le calcul du Li-blend, a été appliqué à un modèle calculé par M. Steffen avec le code CO5BOLD (Freytag et al. 2002), correspondant aux paramètres température effective, gravité et métallicité de HD 74000. Ce calcul a donné une asymétrie extrêmement proche en forme et amplitude de celle mesurée. Un grand plus apporté par ce calcul théorique est un décalage vers le rouge des raies du Li, par rapport aux raies plus fortes utilisées pour mesurer les vitesses radiales. Ce décalage est observé depuis plus de 20 ans, sans avoir été jamais justifié.

La conclusion est que la prise en compte de l’asymétrie des raies est incoutournable dans la détermination de l’abondance du 6Li, et doit maintenant être étudiée en détail, en particulier sa dépendance en fonction de la température effective, de la gravité et de la métallicité.

Référence

Line shift, line asymmetry and the 6Li/7Li isotopic ratio determination Roger Cayrel (GEPI, Obs-Paris), Matthias Steffen (AIP, Germany), Hum Chand (IAP, Paris), Piercarlo Bonifacio (GEPI, CIFIST, INAF-OAT), Monique Spite, François Spite (GEPI, Obs-Paris), Patrick Petitjean (IAP, Paris), Hans-Gunter Ludwig (GEPI, CIFIST), Elisabetta Caffau(GEPI, Obs-Paris) Astronomy & Astrophysics, Letter 2007, in press

Contact Roger Cayrel (Observatoire de Paris, GEPI, & CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013

Until recently, the value of the isotopic ratio 6Li/7Li was determined just for a few stars, and with a rather low confidence level (of the order of 2 sigma).

A dramatic increase on the number of such determinations occured last year, with the paper of Asplund, Lambert, Nissen al. 2006, reporting 6Li/7Li values for 24 metal-poor halo stars, most of them turn-off (TO) stars in the HR diagram. The result was far from expectations. As no 6Li is produced by the primordial nucleosynthesis, in a plot of 6Li abundance versus metallicity, it was expected to see a rise of 6Li, corresponding to the cosmic ray production, seen in the other light elements Be and B, even 7Li once its Cosmic Ray production has cought up its primordial production.

Instead of that, the 6Li abundance was found to be independent of metallicity, running parallel to the Spite plateau, from [Fe/H]= -2.7 to -1.25. If only values with a confidence better than 2 sigma are selected, the mean of 6Li/7Li is 0.044, with standard deviation of .012. Several groups have tried to explain this unexpected result, needing a new process. In particular Rollinde, Vangioni and Olive 2006, have considered a pregalactic fusion process alpha+alpha in accelerated metal-free supernova ejecta from primordial massive stars, having reionized the intergalactic matter, before the stellar nucleosynthesis had really started. Hubert Reeves (2007), and Jedamzik (2004) have explored other scenarios, the last one involving supersymmetric particles. However, Prantzos (2006) has pointed out severe energetic difficulties in these attempts, especially in view of the discrepancy between the cosmological abundance of 7Li derived from WMAP and the observed value of the Spite plateau, implying that much more 7Li and 6Li has been formed than what is observed.

Figure 1 : La figure montre la valeur de l’ asymétrie mesurée dans l’étoile du halo HD 74000 pour la moyenne de 5 raies de Fe I, ayant une stratification et une intensité similaire aux composantes du doublet de la raie de résonance du 7Li à 670.8 nm. Les cercles rouges ouverts représentent le profil asymétrique. Les cercles verts représentent la symétrique de l’aile bleue par rapport à la verticale au centre de la raie. La différence entre le profil vert et le rouge, mesure l’asymétrie de la raie. Cette différence est reportée, décalée verticalement à l’ordonnée 1.04. L’effet d’une raie correspondant à un "blend" du 6Li de 4.4 pour cent du 7Li (la valeur du plateau d’Asplund et al. ) est montrée décalée à l’ordonnée 1.02. Les deux signaux sont étonnament ressemblants. De manière à montrer cette dégénescence de façon plus palpable, la courbe noire montre la somme du profil symétrique et du blend du 6 Li. Elle est sur tout son parcourt à +/- un sigma du profil asymétrique sans 6Li, donc confondue observationellement avec la précédente. Les points rouges matérialisent le bissecteur du profil asymétrique. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

The authors then decided to investigate a completeley different approach : to question the reality of the 6Li plateau. The motivation is that the 6Li blend occurs in the red wing of the much stronger 7Li feature. Line asymmetries are generated by convective motions in stellar atmospheres, especially when the convective zone reaches high photospheric levels, indeed the case for the metal-poor turn-off stars in which 6Li was found. Analyses with 1D models, ignore these asymmetries, and therefore, might use a wrong pseudo-continuum in measuring the 6Li absorption, in the wing of 7Li line.

The amount of line asymmetry in the metal-poor halo turn-off star HD 74000 was checked using a 20 hours exposure, taken with the spectrograph HARPS, mounted on the ESO La Silla 3.6m telescope. The choice of this spectrograph was motivated by its excellent accuracy in wavelength measurements. The S/N ratio per pixel is 600, typical of what is needed for 6Li measurement. As the line asymmetry for the 7Li resonance line is entangled with the presence of the 6Li blend, it is of course necessary to determine the asymmetry with other, unblended, lines, having as far as possible the same stratification as the Li resonance line, at 670.8 nm. Five iron lines were selected with a lower level nearly at the same distance in energy from the ionization level, and with equivalent widths similar to the components of the 7Li doublet.

The average of their profiles, rescaled to a common central depth, and convolved with the additional thermal broadening due to the lower mass of Li with respect to Fe, is shown in Figure 1 (red open circles). The asymmetry is materialized by the difference between the true red wing, and the symmetric of the blue wing (green circles). The signal corresponding to the asymmetry is shown, shifted for clarity to a continuum at ordinate 1.04. For comparison, the signal caused by a blend is shown, with an abundance ratio of .044, the one of the Asplund plateau, shifted to a 1.02 continuum. Clearly, there is a high level of degeneracy between these two signals. The main difference is the fact that the asymmetry is maximum at 6.1 km/s from the line center,whereas the 6Li blend signal is maximum at 7.14 km/s from the line center. In order to make this partial degeneracy more palpable, Figure 1 displays, as a continuous line, the red wing produced by the symmetric profile plus the blend. Although not coincident with the asymmetric profile with no 6Li, it is always within ± 1 sigma of the observational error from it, therefore practically indiscernible.

At this point, it can be concluded that the asymmetry does exist, and is large enough to mimic a 6Li blend at the level found by Asplund et al.(2006).

Next, this purely observational approach was checked by theory. For that, a non LTE 3D code was developed by M. Steffen and R. Cayrel on an hydrodynamical model computed by M. Steffen. with the CO5BOLD code (Freytag et al. 2002), corresponding to the effective temperature, gravity and metallicity of HD 74000. An asymmetry was found, very similar in shape to the result derived from our 5 Fe I line, only slightly less in amplitude. A big plus of the theoretical approach is that it has supplied, on top of a justification of the observe line asymmetry, a substantial line shift, observed but never explained before, now clearly connected with 3D hydrodynamical effects. The result for the 6Li/7Li ratio in HD74000 is 0. ± .0.02.

The conclusion is that line asymmetry route plays a major role in the determination of the 6Li/7Li ratio, and need to be investigated in more details, in particular its dependence upon effective temperature, gravity and metallicity.

---

Reference

Line shift, line asymmetry and the 6Li/7Li isotopic ratio determination Roger Cayrel (GEPI, Obs-Paris), Matthias Steffen (AIP, Germany), Hum Chand (IAP, Paris), Piercarlo Bonifacio (GEPI, CIFIST, INAF-OAT), Monique Spite, François Spite (GEPI, Obs-Paris), Patrick Petitjean (IAP, Paris), Hans-Gunter Ludwig (GEPI, CIFIST), Elisabetta Caffau(GEPI, Obs-Paris) Astronomy & Astrophysics, Letter 2007, in press

Contact

Roger Cayrel (Observatoire de Paris, GEPI, & CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013