[論文レビュー] Effects of Helium Enrichment in Globular Clusters I.Theoretical Plane with PGPUC stellar evolution code

A. A. R. Valcarce, M. Catelan+1 more|Aug 25, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 143被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、PGPUC星間進化コードを用いて、ヘリウム含有量（Y = 0.230–0.370）と金属量（Z = 1.60×10⁻⁴ から 1.57×10⁻²）を体系的に変化させた場合の、球状星団の理論的進化曲線、等年齢曲線、およびゼロ年齢水平枝（ZAHB）の位置を提示している。ヘリウム含有量の増加により、主系列、準巨星系列、赤色巨星系列に観測可能な分岐が生じることを示しており、主な進化段階における明るさと温度に顕著な影響を与える。これにより、色magntiude図（CMD）からの初期ヘリウム含有量の推定に役立つフレームワークが提供される。

ABSTRACT

Recently, the study of globular cluster (GC) CMDs has shown that some of them harbor multiple populations with different chemical compositions and/or ages. In the first case, the most common candidate is a spread in the initial helium abundance, but this quantity is difficult to determine spectroscopically due to the fact that helium absorption lines are not present in cooler stars, whereas for hotter GC stars gravitational settling of helium becomes important. As a consequence, indirect methods to determine the initial Y among populations are necessary. For that reason, in this series of papers, we investigate the effects of a Y enrichment in populations covering the range of GC metallicities. In this first paper, we present the theoretical evolutionary tracks, isochrones, and ZAHB loci calculated with the Princeton-Goddard-PUC (PGPUC) stellar evolutionary code, which has been updated with the most recent input physics and compared with other theoretical databases. The chemical composition grid covers 9 Z ranging from Z=1.60x10^-4 to 1.57x10^-2, 7 Y from Y=0.230 to 0.370, and an alpha-element enhancement of [alpha/Fe]=0.3. The effects of different helium abundances that can be observed in isochrones are: splits in the MS, differences in the L and Teff of the turn off point, splits in the SGB being more prominent for lower ages or higher metallicities, splits in the lower red giant branch being more prominent for higher ages or higher metallicities, differences in L of the RGB bump (with small changes in Teff), and differences in L at the RGB tip. At the ZAHB, when Y is increased there is an increase of L for low Teff, which is affected in different degrees depending on the age of the GC being studied. Finally, the ZAHB morphology distribution depending on the age explains how for higher GC metallicities a population with higher helium abundance could be hidden at the red ZAHB locus.

研究の動機と目的

• 広範な金属量とヘリウム含有量の範囲で、球状星団におけるヘリウム含有量の増加が星の進化に与える影響をモデル化すること。
• 複数の種族を示す観測された色magntiude図（CMD）を解釈する理論的根拠を提供すること。
• 冷却星における分光的制限のため、初期ヘリウム含有量を間接的に推定する課題に対処すること。
• 集団合成や集団の年齢・金属量分析に使用可能な、包括的な進化曲線および等年齢曲線のグリッドを開発すること。
• ヘリウム含有量の変動が、水平枝や他の進化段階における観測された形状の違いをどのように説明できるかを明らかにすること。

提案手法

• 吸収率テーブル、状態方程式、エネルギー生成率を含む、更新された入力物理パラメータを用いたPGPUC星間進化コードを採用した。
• 7つの質量（0.5–1.1 M☉）、9つの金属量（Z = 1.60×10⁻⁴ から 1.57×10⁻²）、7つのヘリウム含有量（Y = 0.230 から 0.370）のグリッドを生成し、[α/Fe] = 0.3とした。
• 特定の進化段階（EEP）における進化曲線の間で線形補間を適用し、任意の質量、金属量、ヘリウム含有量に対する連続的曲線を構築した。
• 同等のZAHB点（EZAHBPs）を用いてZAHBの位置を補間し、対象となる星が対流的外層を持つか否かを区別した。
• 特定の年齢における補間された曲線を組み合わせることで等年齢曲線を計算し、観測されたCMDと比較可能にした。
• 補間手法の妥当性を確認するため、補間された曲線およびZAHBの位置を元のモデルと比較した。パラメータ空間全体で高い精度が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ヘリウム含有量の増加が、球状星団の色magntiude図における主系列の形状にどのように影響するか？
• RQ2 ヘリウム含有量の増加が、等年齢曲線における分岐点の明るさと効果的温度に与える観測可能な影響は何か？
• RQ3 準巨星系列および赤色巨星系列の分岐は、ヘリウム含有量、金属量、および集団の年齢にどのように依存するか？
• RQ4 ヘリウム含有量の変動が、RGBのぶつぶつ（RGB bump）およびRGBの先端（RGB tip）の位置と明るさにどのように影響するか？
• RQ5 ヘリウム含有量の変動が、特に集団の金属量と年齢に関連して、ゼロ年齢水平枝（ZAHB）の形状にどのように影響するか？

主な発見

• ヘリウム含有量の増加により、特に高い金属量や若い集団において、主系列に明確な分岐が生じる。
• ヘリウム含有量が増加するにつれ、分岐点の明るさが増加するが、その効果的温度は金属量や年齢に依存してやや変化する。
• 年齢が低いか金属量が高い場合、準巨星系列の分岐が顕著になる。ヘリウム含有量が高いほどその影響が強まる。
• 金属量が高い場合や年齢が古い場合、赤色巨星系列の分岐がより顕著になる。明るさの差はヘリウム含有量に比例して増大する。
• RGBのぶつぶつにおける明るさはヘリウム含有量に比例して増加するが、効果的温度はほぼ一定のままである。これは、ぶつぶつがRGBに沿ってシフトしていることを示している。
• RGBの先端では、ヘリウム含有量が増加するにつれて明るさが増加し、ZAHBの形状も変化する。特に金属量の高い集団では、ヘリウム含有量の高い種族がZAHBの赤端に偏って配置される。