[論文レビュー] Age and helium content of the open cluster NGC 6791 from multiple eclipsing binary members. I. Measurements, methods, and first results

K. Brogaard, H. Bruntt+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 65被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、古く金属量の高い開放集団 NGC 6791 に属する3つの食連星（V18, V20, V80）の高精度光度測定および分光測定を用い、正確な質量、半径、効果的温度、金属量を導出する。これらの観測を質量-半径図および温度-全光度図における星間モデルとの比較によって組み合わせることで、集団の年齢およびヘリウム含有率を、これまでにない精度で制約する。その結果、最良適合年齢は 7.0 Gyr、ヘリウム質量分率 Y = 0.30 であると判明し、ΔY/ΔZ ≈ 2 を示唆する。これは星の進化モデルに対する制約を強化するものである。

ABSTRACT

Earlier measurements of the masses and radii of the detached eclipsing binary V20 in the open cluster NGC 6791 were accurate enough to demonstrate that there are significant differences between current stellar models. Here we improve on those results and add measurements of two additional detached eclipsing binaries, the cluster members V18 and V80. The enlarged sample sets much tighter constraints on the properties of stellar models than has hitherto been possible, thereby improving both the accuracy and precision of the cluster age. We employed (i) high-resolution UVES spectroscopy of V18, V20 and V80 to determine their spectroscopic effective temperatures, [Fe/H] values, and spectroscopic orbital elements, and (ii) time-series photometry from the Nordic Optical Telescope to obtain the photometric elements. The masses and radii of the V18 and V20 components are found to high accuracy, with errors on the masses in the range 0.27-0.36% and errors on the radii in the range 0.61-0.92%. V80 is found to be magnetically active, and more observations are needed to determine its parameters accurately. The metallicity of NGC 6791 is measured from disentangled spectra of the binaries and a few single stars to be [Fe/H]= +0.29 \pm 0.03 (random) \pm 0.07 (systematic). The cluster reddening and apparent distance modulus are found to be E(B - V) = 0.160 \pm 0.025 and (m - M)V = 13.51 \pm 0.06 . A first model comparison shows that we can constrain the helium content of the NGC 6791 stars, and thus reach a more accurate age than previously possible. It may be possible to constrain additional parameters, in particular the C, N, and O abundances. This will be investigated in paper II.

研究の動機と目的

• 距離、赤化、金属量の相関誤差が原因で不確かであった、古く金属量の高い開放集団 NGC 6791 の年齢推定値の精度と正確性を向上させること。
• 複数の分離型食連星を活用することで、ヘリウム含有率（Y）を制約すること。これはヘリウム含有率に敏感であり、モデルに依存しない質量および半径の測定を可能にする。
• 複数の連星からの観測された質量-半径および温度-全光度関係を用いることで、年齢決定におけるモデル依存性を低減し、星の進化モデルをより厳密に検証すること。
• 分離されたスペクトルおよび光度測定から得られる分光的パラメータ（Teff, [Fe/H]）および集団の性質（赤化、距離モジュラス）を測定することで、将来的なモデル精錬の基盤を提供すること。
• 複数の食連星を用いたクラスターが、年齢スケールおよび ΔY/ΔZ パrameter のキャリブレーションツールとしての可能性を示し、多様な星の集団における星の進化モデルのキャリブレーションに与える影響を提示すること。

提案手法

• 高分解能の UVES 分光測定を用いて、径速度を測定し、連星成分のスペクトルを分離することで、効果的温度および [Fe/H] 値の正確な測定を可能にする。
• ノルディック望遠鏡からの時系列光度測定を用い、光度曲線の軌道要素および食の深さを導出し、星の半径および質量比の正確な決定を可能にする。
• 分光的軌道要素および径速度を、光度曲線と組み合わせることで、V18 および V20 の成分の絶対的質量および半径を、それぞれ 0.27–0.36% および 0.61–0.92% の不確実性で導出する。
• 集団の色-等級図（CMD）を用い、観測された連星パラメータをアンカーとして、集団の視覚的距離モジュラスおよび赤化を導出する。
• 理論的等年線を用いて、年齢およびヘリウム含有率を制約するため、質量-半径（MR）図および温度-全光度（TL）図における星間モデルの比較を実施する。
• 分離された連星および単星のスペクトルからの金属量および赤化に関する制約を含め、系統的誤差およびランダム誤差の推定を含めた分析を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古く金属量の高い開放集団 NGC 6791 の正確な年齢は何か？ そして、モデル依存性を低減することでどのように特定できるか？
• RQ2 NGC 6791 のヘリウム含有率（Y）は何か？ そして、ΔY/ΔZ 増加則をどのように制約するか？
• RQ3 1つの集団に複数の分離型食連星を用いることで、単一の連星よりも星の進化モデルに対する拘束を厳しくできるか？
• RQ4 集団の連星の観測された質量-半径および温度-全光度関係は、理論的等年線とどのように一致するか？ これによりモデル物理学にどのような示唆があるか？
• RQ5 NGC 6791 の元素組成（例：C, N, O）のパターンが、導出された年齢およびヘリウム含有率にどの程度影響を与えるか？ そして、これをどのように検証できるか？

主な発見

• 質量-半径図、温度-全光度図、色-等級図への一貫したフィットに基づき、モデル依存性の不確実性を伴うが、集団の年齢は 7.0 Gyr に制約される。
• ヘリウム質量分率は Y = 0.30 に決定され、95%信頼区間はデータと整合的であり、ヘリウム増加パrameter ΔY/ΔZ ≈ 2 を示唆する。
• NGC 6791 の金属量は [Fe/H] = +0.29 ± 0.03（ランダム）± 0.07（系統的）と測定され、高い金属量であることが確認される。
• 集団の赤化は E(B-V) = 0.160 ± 0.025、視覚的距離モジュラスは (m-M)V = 13.51 ± 0.06 であり、信頼性の高い距離アンカーを提供する。
• V18 および V20 の成分は高い精度で測定された：質量は 0.27–0.36%、半径は 0.61–0.92% の精度で測定され、高精度な連星測定の可能性が示された。
• V80 は磁気的に活性であることが判明し、正確なパラメータの決定にはさらなる観測が必要である。これは、連星解析における変動性の重要性を強調する。