[論文レビュー] Atomic Diffusion and Mixing in Old Stars V: A deeper look into the Globular Cluster NGC 6752

Pieter Gruyters, Thomas Nordlander+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、金属不足の球状星団NGC 6752の進化系列にわたる194個の星について、uvbyストルムグレン光度測定とVLT/FLAMES-GIRAFFE分光測定を組み合わせて、原子拡散および追加混合を調査した。亜巨星分岐帯に沿ってCa、Ti、Feに弱いが系統的な元素組成の傾向（約0.1 dex）が確認され、効率的な追加混合を含む星のモデルによって最もよく説明された。初期リチウム組成はlog ε(Li) = 2.53 ± 0.10と推定され、ビッグバン核合成の予測と整合的である。

ABSTRACT

Abundance trends in heavier elements with evolutionary phase have been shown to exist in the globular cluster NGC 6752 [Fe/H]=-1.6. These trends are a result of atomic diffusion and additional (non-convective) mixing. Studying such trends can provide us with important constraints on the extent to which diffusion modifies the internal structure and surface abundances of solar-type, metal-poor stars. Taking advantage of a larger data sample, we investigate the reality and the size of these abundance trends and address questions and potential biases associated with the various stellar populations that make up NGC6752. Based on uvby Strömgren photometry, we are able to separate three stellar populations in NGC 6752 along the evolutionary sequence from the base of the red giant branch down to the turnoff point. We find weak systematic abundance trends with evolutionary phase for Ca, Ti, and Fe which are best explained by stellar-structure models including atomic diffusion with efficient additional mixing. We derive a new value for the initial lithium abundance of NGC 6752 after correcting for the effect of atomic diffusion and additional mixing which falls slightly below the predicted standard BBN value. We find three stellar populations by combining photometric and spectroscopic data of 194 stars in the globular cluster NGC 6752. Abundance trends for groups of elements, differently affected by atomic diffusion and additional mixing, are identified. Although the statistical significance of the individual trends is weak, they all support the notion that atomic diffusion is operational along the evolutionary sequence of NGC 6752.

研究の動機と目的

• 金属不足の球状星団NGC 6752における進化段階に伴う組成傾向の実在性と大きさを調査すること。
• 太陽型星の表面組成を形作る原子拡散および追加（対流以外の）混合の役割を評価すること。
• 原子拡散および上昇作用の影響を補正したのちの初期リチウム組成を特定すること。
• 光度測定および分光測定データを統合して、NGC 6752における複数の星族を特定・特徴づけること。
• 観測された組成傾向が系統的誤差のためであるのか、それとも拡散や混合といった物理的過程のためであるのかを検証すること。

提案手法

• 194個の星について、Turnoff点から赤巨星分岐帯の基部までの進化系列にわたる、uvbyストルムグレン光度測定を用いて星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]）を導出した。
• SME分光解析パッケージを用いて、Li、Na、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Feの星の表面組成を、観測ラインに合成スペクトルをフィットさせることで測定した。
• 系統的誤差を最小限に抑えて組成精度を向上させるために、微小な1次元-LTE/NLTE分光解析を実施した。
• 光度測定の色インデックスを用いて進化段階を追跡し、亜巨星分岐帯に沿って3つの星族を分離した。
• 星の構造モデル（T6.2モデル）を用いて、原子拡散および最初の上昇作用の補正を施し、初期組成を推定した。
• uvby光度測定を用いて星族の半径方向分布を分析し、半径方向の分離の有無を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 6752における進化段階に伴う組成傾向は、統計的に有意かつ物理的に現実のものであるのか、それとも系統的誤差に起因するのか？
• RQ2 原子拡散および追加混合は、Ca、Ti、Feの観測された組成変動をどの程度説明できるのか？
• RQ3 原子拡散および上昇作用の影響を補正したのちのNGC 6752の初期リチウム組成は何か？
• RQ4 光度測定および分光測定データを統合することで、NGC 6752における複数の星族を信頼性高く特定・区別できるか？
• RQ5 NGC 6752には星族の半径方向的分離が見られ、化学組成と相関しているか？

主な発見

• Ca、Ti、Feについて、進化段階に伴い約0.1 dexの弱い系統的組成傾向が観測され、効率的な追加混合を含む原子拡散の作用を支持する。
• 原子拡散および上昇作用を補正したNGC 6752の初期リチウム組成はlog ε(Li) = 2.53 ± 0.10であり、プランクで校正されたBBN予測値（2.69 ± 0.04）よりもわずかに低い。
• リチウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムの組成は固有の（逆）相関関係を示しており、異なる化学的パターンを持つ複数の星族が存在することを示している。
• NGC 6752の3つの星族（第一、第二、第三世代）は、uvbyストルムグレン光度測定を用いて、Turnoff点（Teff ≈ 5900 K）まで明確に分離可能である。
• 弱いが有意な半径方向的分離が観測され、初期星族が外縁部よりもわずかに集積している。
• 有効温度の系統的誤差に対して、観測された組成傾向は頑健である。Turnoff点でのTeffを200 K増加させたとしても、ΔTeffに25%の不審な誤差が必要になるため、物理的過程によるものであると考えられる。