[論文レビュー] Heavy elements and chemical enrichment in globular clusters

G. James, P. François+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 71被引用数 61

ひとこと要約

本研究では、金属量が異なる3つの銀河球状星団（NGC 6397、NGC 6752、47 Tuc）における未発達の主系列回折星および準巨星の中で、中性子捕獲元素（Sr、Y、Ba、Eu）の最初の高分解能の元素分画測定を実施した。VLT/UVESのデータを用いて、軽元素の異常と重元素分画の間に相関がないことが判明し、古典的自己豊富化シナリオを否定した。これは、銀河球状星団が、場のハロー星と同様に、rおよびs過程による均一な豊富化を経験したことを示唆している。

ABSTRACT

High resolution (R > 40 000) and high S/N spectra have been acquired with UVES on the VLT-Kueyen (Paranal Observatory, ESO Chile) for several main sequence turnoff stars (V ~ 17 mag) and subgiants at the base of the Red Giant Branch (V ~ 16 mag) in three globular clusters (NGC 6397, NGC 6752 and 47 Tuc/NGC 104) at different metallicities (respectively [Fe/H] = -2.0; -1.5; -0.7$). Spectra for a sample of 25 field halo subdwarves have also been taken with equal resolution, but higher S/N. These data have been used to determine the abundances of several neutron-capture elements in these three clusters: strontium, yttrium, barium and europium. This is the first abundance determination of these heavy elements for such unevolved stars in these three globular clusters. These values, together with the [Ba/Eu] and [Sr/Ba] abundance ratios, have been used to test the self-enrichment scenario. A comparison is done with field halo stars and other well known Galactic globular clusters in which heavy elements have already been measured in the past, at least in bright giants (V > 11-12 mag). Our results show clearly that globular clusters have been uniformly enriched by r- and s-process syntheses, and that most of them seem to follow exactly the same abundance patterns as field halo stars, which discards the ``classical'' self-enrichment scenario for the origin of metallicities and heavy elements in globular clusters.

研究の動機と目的

• 銀河球状星団の未発達星（回折星および準巨星）における中性子捕獲元素分画を特定し、自己豊富化シナリオを検証すること。
• 異なる金属量において、銀河球状星団と場のハロー星の重元素分画パターンを比較すること。
• 観測された軽元素の異常（O-Na、Mg-Al）が、同じ星におけるsおよびr過程元素分画と相関しているかどうかを調査すること。
• 古典的自己豊富化モデルが銀河球状星団の化学的進化を説明できるかどうかを評価すること。
• 銀河球状星団が事前に豊富化されていたか、それとも内部プロセスによる自己汚染ではなく、すでに金属が豊富化された物質から形成されたのかを評価すること。

提案手法

• VLT-Kueyen望遠鏡に搭載されたUVES機器を用いた高分解能（R > 40,000）かつ高信号対雑音比（S/N）の分光観測。
• 金属量 [Fe/H] ≈ −2.0、−1.5、−0.7 の3つの銀河球状星団において、25個の場のハロー準超巨星と25個のクラスタ星（回折星および準巨星）を観測。
• 等価幅およびスペクトル合成技術を用いて、Sr、Y、Ba、Eu の分画を導出。
• 進化段階ごとおよびクラスタ星と場の星との間で、[Ba/Eu] および [Sr/Ba] 分画比を比較。
• 適切な場合には非局所熱平衡（non-LTE）補正を用いて、線幅プロファイルの適合精度を向上。
• 場のハロー星とのクロスキャリブレーションにより、異なる星族間での分画パターンの一貫性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河球状星団の回折星と準巨星の間で、中性子捕獲元素分画（Sr、Y、Ba、Eu）に系統的な差異が認められるか？
• RQ2 未発達のクラスタ星において、軽元素の異常（例：O-Na反比例）とsおよびr過程元素分画との間に相関があるか？
• RQ3 同じ金属量における場のハロー星と比較して、銀河球状星団の [Ba/Eu] および [Sr/Ba] 分画比は一致するか？
• RQ4 AGB星がクラスタを汚染することで、古典的自己豊富化シナリオが、未発達星における観測された均一な重元素分画を説明できるか？
• RQ5 回折星と準巨星の間で観測された [Ba/Fe] 分画比の分散は、実際のものか、系統的誤差に起因するか？

主な発見

• 銀河球状星団の未発達星において、中性子捕獲元素分画と軽元素の異常（例：O-Na）との間に有意な相関または反比例は観測されなかった。
• 同じクラスタ内での異なる進化段階（回折星および準巨星）において、s過程元素（Ba、Sr）およびr過程元素（Eu）の分画は均一であり、段階依存の豊富化がないことを示している。
• 銀河球状星団の [Ba/Eu] および [Sr/Ba] 分画比は、同様の金属量における場のハロー星と一致しており、共通の化学的豊富化歴を支持している。
• 銀河球状星団における中性子捕獲元素の観測分画パターンは、内部からの自己汚染（AGB星由来）ではなく、均一な外部豊富化プロセスによって最もよく説明される。
• 古典的自己豊富化シナリオ（AGB星がs過程元素を生成し、クラスタを汚染する）は、データを説明できない。なぜなら、これにより軽元素の異常とs過程分画との間に検出可能な相関が生じるはずであり、実際にはその相関は存在しないからである。
• 回折星と準巨星の間で [Ba/Fe] の分散が小さい場合、それが実際のものであるなら、拡大する対流層による希釈の予想と矛盾し、さらに自己汚染仮説を弱める。