[論文レビュー] CNO dredge-up in a sample of APOGEE/Kepler red giants: Tests of stellar models and Galactic evolutionary trends of N/O and C/N

Fiorenzo Vincenzo, David H. Weinberg+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、CNO上昇の補正を施したAPOGEEおよびKeplerの赤色巨星データ（約5,100個）を用いて、星の進化モデルを検証する。標準的な混合モデルは観測されたN/OおよびC/Nの傾向を再現するが、追加の混合モデルは失敗する。補正された元素分画は、[α/Fe]と関連する明確な銀河系ディスクの傾向を示し、星の年齢推定および核融合生成モデルに影響を与える。

ABSTRACT

Surface abundances of C, N, and O in red giants are affected by processed material mixed into the stars' convective envelopes. Using a sample of $\sim 5100$ stars with elemental abundances from APOGEE and asteroseismic masses from {\it Kepler}, we test theoretical stellar models that predict this mixing, then apply these models to derive birth C, N, and O abundances for these stars. Our models with standard mixing can reproduce the observed trends to within plausible uncertainties in the birth abundances. Some models with ''extra'' mixing processes fail, predicting trends with surface gravity or evolutionary state that are not observed. Applying mixing corrections to the APOGEE abundances removes the observed age-dependence of log(N/O) and log(C/N), but it leaves trends of log(N/O) and log(C/N) with metallicity, as expected based on nucleosynthesis models. The stellar N/O trend agrees well with Dopita et al.'s calibration of gas phase log(N/O) with metallicity, and with gas phase trends in the MaNGA integral field survey of nearby galaxies. We also find a substantial separation in birth [N/Mg] ratios between high-[$α$/Fe] (''thick disc'') stars and low-[$α$/Fe] (''thin disc'') stars. We find a smaller but still clear separation for [C/Mg]. The trends of birth C and N abundances with [Fe/H] and [$α$/Fe] could affect spectroscopic age estimates for red giants that rely on the observed C/N ratio as a diagnostic of stellar mass.

研究の動機と目的

• 赤色巨星の観測されたAPOGEEおよびKeplerデータと理論的星の進化モデル（CNO上昇）を照合して検証すること。
• 星の進化中の内部混合プロセスを補正することで、C、N、Oの原始的分画を導出すること。
• 金属量および[α/Fe]を関数として、N/OおよびC/N比における銀河系化学進化の傾向を調査すること。
• 混合補正がスペクトル的年齢推定（C/N比に基づく）に与える影響を評価すること。
• 導出された傾向を近隣銀河のガス相測定値および宇宙論的シミュレーション（Vincenzo & Kobayashi 2018）と比較すること。

提案手法

• 約5,100個の赤色巨星について、APOGEEの分光的分画（C、N、O、Fe、α元素）とKeplerミッションの星震動的質量を統合した。
• 標準的および強化された混合を含むMESA星の進化モデルを用い、赤色巨星分岐帯における表面分画の変化をシミュレートした。
• 最初の上昇と追加の混合の影響を除去することで、混合補正を用いて原始的分画を推定した。
• 表面重力、金属量（[Fe/H]）および[α/Fe]を関数として、log(N/O)およびlog(C/N)の傾向を追跡し、モデル予測を検証した。
• 補正済み分画傾向をMaNGAのガス相測定値および宇宙論的シミュレーション（Vincenzo & Kobayashi 2018）と比較した。
• モデル予測が観測された年齢依存傾向およびキャリブレーションの不確実性と整合しているかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の上昇を含む標準的星の進化モデルは、赤色巨星における観測されたN/OおよびC/N傾向を妥当な不確実性内に正確に再現できるか？
• RQ2 追加の混合プロセス（例：熱塩素対流または半対流）を含むモデルは、年齢や重力依存の分画傾向を過剰に予測するか？
• RQ3 混合補正済みの原始的C、N、O分画は、銀河系ディスクにおける金属量および[α/Fe]とどのように相関するか？
• RQ4 補正済みのC/NおよびN/O傾向は、近隣銀河のガス相測定値とどの程度一致するか？
• RQ5 高[α/Fe]（厚いディスク）と低[α/Fe]（薄いディスク）の星における[N/Mg]および[C/Mg]の差異は、核融合生成産物および化学進化にどのような意味を持つか？

主な発見

• 最初の上昇を含む標準的MESAモデルは、原始的分画の妥当な不確実性内において、観測されたN/OおよびC/N傾向を再現する。
• 追加の混合を含むモデルは、観測されない表面重力や進化状態依存の誤った傾向を予測するため、データと整合しない。
• 混合補正済みのlog(N/O)およびlog(C/N)は年齢依存性を示さないが、金属量の強い傾向を保持しており、核融合生成モデルと整合的である。
• 補正済みのN/O傾向は、Dopitaらのガス相キャリブレーションおよび近隣銀河のMaNGA観測とよく一致する。
• 高[α/Fe]（厚いディスク）と低[α/Fe]（薄いディスク）の星の間で、原始的[N/Mg]および[C/Mg]比に明確な分離が見られる。
• 原始的CおよびN分画の[Fe/H]傾向は、金属量依存のN生成産物と、AGB星からの時間遅れ寄与を支持する。