[論文レビュー] A critical assessment of models for the origin of multiple populations in globular clusters

N. Bastian|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

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ひとこと要約

本稿は、球状星団における複数種族の起源を説明する代表的なモデル（AGB、高速回転質量星、非常に質量の大きな星、初期円盤降着）を批判的に評価し、観測結果とすべて不一致であることを示している。結論として、現在のどのシナリオも観測された化学的パターン、質量予算制約、若年大質量星団データを説明できず、球状星団における複数種族の起源を説明するための完全に新しい理論の必要性が示された。

ABSTRACT

A number of scenarios have been put forward to explain the origin of the chemical anomalies (and resulting complex colour-magnitude diagrams) observed in globular clusters (GCs), namely the AGB, Fast Rotating Massive Star, Very Massive Star, and Early Disc Accretion scenarios. We compare the predictions of these scenarios with a range of observations (including young massive clusters (YMCs), chemical patterns, and GC population properties) and find that all models are inconsistent with observations. In particular, YMCs do not show evidence for multiple epochs of star-formation and appear to be gas free by an age of ~3 Myr. Also, the chemical patterns displayed in GCs vary from one to the next in such a way that cannot be reproduced by standard nucleosynthetic yields. Finally, we show that the "mass budget problem" for the scenarios cannot be solved by invoking heavy cluster mass loss (i.e. that clusters were 10-100 times more massive at birth) as this solution makes basic predictions about the GC population that are inconsistent with observations. We conclude that none of the proposed scenarios can explain the multiple population phenomenon, hence alternative theories are needed.

研究の動機と目的

• 球状星団における複数種族の起源を説明する4つの代表的シナリオ（AGB、FRMS、非常に質量の大きな星、初期円盤降着）の妥当性を評価すること。
• これらのモデルが若年大質量星団（YMCs）、化学成分パターン、質量予算問題の観測結果と整合するかどうかを検証すること。
• 質量、金属量、銀河中心からの距離が異なるさまざまな球状星団において、豊かにされた星の割合（F_enrich ≈ 68%）が一定であるという観測結果が、質量損失に依存するモデルの予測と矛盾しないかどうかを検討すること。
• 標準的な核合成生成物が、さまざまな球状星団間で観測された化学的変動を再現できるかどうかを評価すること。
• 重い初期質量損失が質量予算問題を解決できるという仮定を、矮星銀河および銀河バルジからの観測制約を踏まえて検証すること。

提案手法

• 若年大質量星団（YMCs）の観測データ（星形成歴、発光線診断、色等級図）と、複数種族シナリオのモデル予測を比較する。
• 球状星団における化学成分パターン（例：Na-O反相関、Heの広がり）を分析し、AGB、FRMS、非常に質量の大きな星からの核合成生成物との整合性を検証する。
• 質量予算問題を評価するため、現在の質量の10〜100倍の初期質量が必要であることを、現在の球状星団集団の観測的性質と比較する。
• 矮星銀河（Fornax、WLM、IKN）からの観測制約を用いて、集団からの重い質量損失が、観測された場所星の豊かさを説明できるかを検証する。
• APOGEE調査のデータを用いて、場所星の豊かさの下限（F_enrich ≥ 0.07）を推定し、溶解した集団が観測された場所星の成分を説明できるかを検証する。
• M31と銀河系の球状星団における統合的[N/Fe]と集団質量の相関関係を評価し、自己豊かさモデルの予測を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若年大質量星団（YMCs）は、AGBおよびFRMSシナリオが予測するように、複数回の星形成の兆候を示しているか？
• RQ2 標準的な核合成生成物（AGB、FRMS、非常に質量の大きな星から）が、さまざまな球状星団間で観測された化学的パターン（特にNa-O反相関やHeの広がり）を再現できるか？
• RQ3 質量、金属量、銀河中心からの距離が異なる球状星団において、豊かにされた星の割合（F_enrich = 68 ± 7%）が一定であるという観測結果は、初期質量損失に依存するモデルと整合するか？
• RQ4 処理された質量が観測された第二世代星の数を説明するのに不十分であるという質量予算問題は、現在の質量の10〜100倍の初期質量を仮定することで解決できるか？
• RQ5 銀河バルジおよび矮星銀河における場所星の観測結果は、溶解した球状星団が豊かにされた場所星の主因であるという仮説を排除するか？

主な発見

• YMCsに二次的星形成の証拠なし：130個のYMCを調査した結果、1回の年齢に一致する発光線や星形成の兆候以外の証拠はなく、AGBおよびFRMSシナリオの予測と矛盾する。
• NGC 34-クラスタ1は、単一の年齢集団（年齢〜100 Myr）に最もよく適合し、AGBシナリオの複数世代の予測を直接的に反証する。
• 質量、金属量、銀河中心からの距離に関係なく、豊かにされた星の割合（F_enrich）が68 ± 7%で一定であるという観測結果は、第一世代星の選択的質量損失を必要とするモデルと矛盾する。
• 化学的パターンは、集団間で顕著に異なり、標準的な核合成生成物では再現できないため、確率的または非標準的なプロセスの必要性が示唆される。
• M31における統合的[N/Fe]と集団質量の相関関係、および銀河系におけるHe広がり（ΔY）と集団質量の相関関係は、単位質量あたりの生成物が一定であると予測する自己豊かさモデルと矛盾する。
• Fornax、WLM、IKNの矮星銀河からの観測結果は、GCが[Fe/H] < -2の星の質量の10〜30%を占めていることを示しており、重い質量損失は過剰な金属貧乏場所星の生成を引き起こすため、不実用的である。