[論文レビュー] Atomic diffusion and mixing in old stars II. Observations of stars in the globular cluster NGC 6397 with VLT/FLAMES-GIRAFFE

K. Lind, A. J. Korn+2 more|ArXiv.org|Sep 1, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 36被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、VLT/FLAMES-GIRAFFEを用いた高分解能分光計測により、銀河団NGC 6397の金属不足星が主系列の転回点から赤色巨星分岐点に進化するに従い、鉄およびマグネシウムの全量が系的に増加することを確認した。有効温度が低下するに従い観測された0.13 dexの鉄全量の増加は、頑健であり、原子拡散に加えて乱流混合を伴うモデルが最も適切に説明しており、古く金属不足の星の星間進化においてこれらのプロセスを含むモデルを支持する。

ABSTRACT

Evolutionary trends in the surface abundances of heavier elements have recently been identified in the globular cluster NGC 6397 ([Fe/H]=-2), indicating the operation of atomic diffusion in these stars. Such trends constitute important constraints for the extent to which diffusion modifies the internal structure and surface abundances of solar-type, metal-poor stars. We perform an independent check of the reality and size of abundance variations within this metal-poor globular cluster. Observational data covering a large stellar sample, located between the cluster turn-off point and the base of the red giant branch, are homogeneously analysed. The spectroscopic data were obtained with the medium-high resolution spectrograph FLAMES/GIRAFFE on VLT-UT2. We derive independent effective-temperature scales from profile fitting of Balmer lines and by applying colour-temperature calibrations to Strömgren uvby and broad-band BVI photometry. An automated spectral analysis code is used together with a grid of MARCS model atmospheres to derive stellar surface abundances of Mg, Ca, Ti, and Fe. We identify systematically higher iron abundances for more evolved stars. The turn-off point stars are found to have 0.13dex lower surface abundances of iron compared to the coolest, most evolved stars in our sample. There is a strong indication of a similar trend in magnesium, whereas calcium and titanium abundances are more homogeneous. Within reasonable error limits, the obtained abundance trends are in agreement with the predictions of stellar structure models including diffusive processes (sedimentation, levitation), if additional turbulent mixing below the outer convection zone is included.

研究の動機と目的

• 論文Iで報告された金属不足星における全量変動の存在と大きさを、独立して検証すること。特に鉄およびマグネシウムに焦点を当てる。
• 特に有効温度の不確実性を考慮した場合、観測された全量傾向の頑健性を評価すること。
• 観測された全量傾向が、原子拡散および乱流混合を含む星構造モデルと整合するかどうかを検証すること。
• 複数の温度決定手法を比較し、系統的誤差を評価することで、分光解析の信頼性を評価すること。
• 観測された傾向が、モデリングの制限によるアーティファクトであるのか、それとも金属不足で古く、星間進化の過程にある星における真の物理的効果であるのかを特定すること。

提案手法

• VLTのFLAMES/GIRAFFEを用いて、NGC 6397に約100個の星を対象に、中分解能（R ~ 27,000）分光計測データを取得。対象は、転回点から赤色巨星分岐点の基部までをカバー。
• バルマーHα線のプロファイルフィッティングにより有効温度を決定し、ストルムグレン uvbyおよびバンド BVI 光度測定と複数の色-有効温度校正を用いて、相互に検証した。
• 自動化されたコードと、MARCS 1次元、静的モデル大気のグリッドを用いて、均一な分光的解析を実施し、Fe、Mg、Ca、Tiの表面全量を導出。
• 局所熱平衡（LTE）解析を適用し、鉄族元素の励起平衡およびイオン化平衡に特に注意を払い、元素全量を決定。
• 原子拡散（沈降および浮上）と、対流圏の下に位置する追加の乱流混合を含む星構造モデルの予測と、観測された全量傾向を比較。
• 有効温度スケールの潜在的系統的誤差の影響を評価するため、高温星では±350 K、低温星では±200 Kのずれを仮定し、それが観測された全量傾向に与える影響を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 より大規模で均一なサンプルと独立した解析ツールを用いた場合、NGC 6397の星における鉄およびマグネシウムの全量傾向が維持されるか？
• RQ2 有効温度決定の不確実性を考慮しても、転回点から赤色巨星分岐点への鉄全量増加（0.13 dex）は頑健であるか？
• RQ3 観測された全量傾向は、原子拡散および乱流混合を含む星構造モデルで説明可能か？それとも追加の物理的プロセスが必要か？
• RQ4 NGC 6397の転回点と赤色巨星分岐点の星間に顕著な全量差がないと報告した先行研究と、本研究の結果はどのように一致するか？
• RQ5 温度スケールやモデリング仮定（例：LTE、1次元モデル）に起因する系統的誤差が、観測された全量傾向の解釈にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 最も発達した転回星（T_eff ≈ 6,250 K）から、最も冷却された赤色巨星分岐星（T_eff ≈ 5,450 K）にかけて、鉄全量（log ε_Fe）に著しい0.13 dexの増加が観測された。これは、表面の系的富化を示している。
• 観測された鉄全量傾向は、有効温度における現実的な系統的誤差に対して頑健である。高温星の温度を350 K、低温星の温度を200 Kずつずらしても傾向が消失するには不自然に大きなずれが必要であり、複数の温度決定手法の整合性を考慮すると、これは現実的ではないとされる。
• マグネシウム全量についても同様の傾向が示唆されるが、その検出は星のパラメータに非常に敏感であり、潜在的な非局所熱平衡（NLTE）効果の差異の影響を受ける可能性があるため、やや不確実性が大きい。
• カルシウムおよびチタンの全量には顕著な傾向がなく、進化の全範囲にわたり平坦な分布と一致している。
• FeおよびMgの観測された全量傾向は、原子拡散（沈降および浮上）と、外側の対流圏の下に位置する追加の乱流混合を含む星構造モデルの予測と良好に一致している。
• 特に、乱流混合の影響が小さい、分岐星の冷却半分において、その一致は顕著であり、原子拡散が金属不足の未発達星の表面全量を形作る主要な物理的メカニズムであるという結論を支持している。