[論文レビュー] Constraining the original composition of the gas forming first-generation stars in globular clusters

M. V. Legnardi, A. P. Milone+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 65被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、NGC 6362およびNGC 6838の高精度ハッブル宇宙望遠鏡赤外線写真測光を用いて、最初期星（1G）のクロモソームマップ（ChM）を分析し、金属量の変動—ヘリウムや連星の影響ではない—が1G星の延長的序列を引き起こしていることを示した。著者らは、55個の球状星団において1G星の金属量散らばりが0.05–0.30 dexにわたり、クラスタ質量とやや相関していることを発見し、1G星と2G星の鉄含有量が均一であると予測する吸着形成モデルに反する結果を得た。

ABSTRACT

Disentangling distinct stellar populations along the red-giant branches (RGBs) of globular clusters (GCs) is possible by using the pseudo-two-colour diagram dubbed chromosome map (ChM). One of the most intriguing findings is that the so-called first-generation (1G) stars, characterized by the same chemical composition of their natal cloud, exhibit extended sequences in the ChM. Unresolved binaries and internal variations in helium or metallicity have been suggested to explain this phenomenon. Here, we derive high-precision Hubble Space Telescope photometry of the GCs NGC 6362 and NGC 6838 and build their ChMs. We find that both 1G RGB and main-sequence (MS) stars exhibit wider ChM sequences than those of second-generation (2G). The evidence of this feature even among unevolved 1G MS stars indicates that chemical inhomogeneities are imprinted in the original gas. We introduce a pseudo-two-magnitude diagram to distinguish between helium and metallicity, and demonstrate that star-to-star metallicity variations are responsible for the extended 1G sequence. Conversely, binaries provide a minor contribution to the phenomenon. We estimate that the metallicity variations within 1G stars of 55 GCs range from less than [Fe/H]∼0.05 to ∼0.30 and mildly correlate with cluster mass. We exploit these findings to constrain the formation scenarios of multiple populations showing that they are qualitatively consistent with the occurrence of multiple generations. In contrast, the fact that 2G stars have more homogeneous iron content than the 1G challenges the scenarios based on accretion of material processed in massive 1G stars on to existing protostars.

研究の動機と目的

• 球状星団のクロモソームマップ（ChM）における最初期星（1G）星の延長的序列の起源を特定すること。
• 観測されたChM散らばりの背後にある説明としてのヘリウム不均一性、連星、金属量変動の3つを区別すること。
• 1G星の金属量変動が球状星団における複数星団形成シナリオに与える影響を評価すること。
• 1G星と第二世代（2G）星の内部金属量散らばりを比較し、吸着に基づくモデルとの整合性を評価すること。

提案手法

• 球状星団NGC 6362およびNGC 6838の高精度ハッブル宇宙望遠鏡（HST）測光を取得した。
• F275W、F336W、F438W、F814Wフィルタを用いた疑似2色図であるクロモソームマップ（ChM）を構築し、星団の星々の性質を分析した。
• ヘリウムと金属量のChM序列に及ぼす影響を分離するために、新しい疑似2マグニチュード図を導入した。
• 赤巨星分岐（RGB）星および主系列（MS）星におけるChM序列の統計的解析を実施し、散らばりの主因となる物理的要因を特定した。
• 55個の球状星団における1G星の金属量散らばりを測定し、クラスタ質量と相関を調べた。
• 特に、巨大1G星からの処理済み物質の吸着を含む理論的モデルと結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団のクロモソームマップ（ChM）における最初期星（1G）星の延長的序列を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 ヘリウム不均一性や連星と比較して、鉄含有量（[Fe/H]）の変動が1G星のChM散らばりにどの程度寄与しているか？
• RQ3 1G星と第二世代（2G）星の内部金属量散らばりはどのように比較されるか？ これは吸着に基づく形成モデルにどのような含意をもたらすか？
• RQ4 1G星の金属量散らばりと、その母なる球状星団の質量との間に相関があるか？
• RQ5 観測されたChM形態は、自己増幅または外部吸着を含む複数世代形成シナリオと整合するか？

主な発見

• クロモソームマップ（ChM）における最初期星（1G）星の延長的序列は、主にヘリウム含有量や連星ではなく、星間の金属量の星間差に起因する。
• 55個の球状星団における1G星の金属量散らばりは、[Fe/H] ∼0.05から∼0.30 dexの範囲にあり、クラスタ質量とやや正の相関を示す。
• 金属量散らばりは、進化した赤巨星分岐（RGB）星にとどまらず、未進化の主系列（MS）1G星に対しても観測されており、化学的不均一性が元のガスにすでに印加されていたことを示唆する。
• 第二世代（2G）星は1G星と比べて顕著に小さい内部金属量変動を示しており、1G星と2G星の鉄含有量が均一であると予測する吸着モデルに反する。
• 1G星の観測された金属量散らばりは、超新星残渣からの自己増幅または星間媒体内での不完全混合と整合するが、純粋なヘリウム変動とは整合しない。
• 結果は、1G星が化学的に不均一なガスから形成され、2G星が後に化学的不均一性がなだらかになったより密度の高い領域で形成されるという複数世代形成シナリオを支持する。