[論文レビュー] Helium Mixing in Globular Cluster Stars

A. V. Sweigart|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、球状星団の星々におけるヘリウム混合が、内部回転によって駆動され、水素燃焼シェルから大気圏へと起こることで、水平分岐（HB）の形状や赤色巨星分支（RGB）の進化における観測された異常を説明すると提案している。モデルでは、ヘリウム混合がRGB段階で明るさを増加させ、質量放出を促進し、より青く明るいHBを生じさせることを示しており、これは年齢の違いを模倣し、推定される星団の年齢を低下させる要因となり、またRRリュウス星の周期シフトや金属量-明るさ関係にも影響を与える。

ABSTRACT

The observed abundance variations in globular cluster red giants indicate that these stars may be mixing helium from the hydrogen shell outward into the envelope, presumably as a result of internal rotation. We have investigated the implications of such helium mixing for both the red- giant-branch (RGB) and horizontal-branch (HB) phases by computing a number of noncanonical evolutionary sequences for different assumed mixing depths and mass loss rates. We find that the helium-mixed models evolve to higher luminosities during the RGB phase and consequently lose more mass than their canonical counterparts. This enhanced mass loss together with the higher envelope helium abundances of the helium-mixed models produces a markedly bluer and somewhat brighter HB morphology. As a result, helium mixing can mimic age as a 2nd parameter and can reduce the ages of the metal-poor globular clusters derived from the luminosity difference between the HB and the main-sequence turnoff. Helium mixing might also lead to a larger RR Lyrae period shift and to a steeper slope for the RR Lyrae luminosity - metallicity relation if the mixing is more extensive at low metallicities, as suggested by the observed abundance variations. We discuss the implications of helium mixing for a number of other topics including the low gravities of the blue HB stars, the origin of the extreme HB stars, and the evolutionary status of the sdO stars. A variety of observational tests are presented to test this helium-mixing scenario.

研究の動機と目的

• 水素燃焼シェルから大気圏へのヘリウム混合が、球状星団の星々のRGBおよびHB段階における進化に与える影響を調査すること。
• ヘリウム混合が年齢の違いを必要とせずに、観測されたより青く明るい水平分岐の形状を説明できるかどうかを特定すること。
• ヘリウム混合が質量放出率およびHBの明るさ関数に与える影響を評価すること。
• ブルーHB星の低表面重力と極端なHB星の起源に関するヘリウム混合の意味を検討すること。
• ヘリウム混合がRRリュウス星の周期シフトおよび明るさ-金属量関係をどのように形作るかを評価すること。

提案手法

• さまざまな仮定された混合深さおよび質量放出率を想定した、球状星団の星々の非標準的進化シーケンスの計算。
• 内部回転によって駆動される混合を含む星の進化モデルを用い、水素燃焼シェルから大気圏へヘリウムを輸送する。
• ヘリウム混合モデルと標準的モデルとの間で、RGBおよびHBにおける明るさと色の進化を比較する。
• 増加した大気圏ヘリウム含有量および強化された質量放出が、HBの形状と明るさに与える影響を分析する。
• RRリュウス変光星に与える影響をモデル化し、周期シフトおよび明るさ-金属量関係を含む。
• ヘリウム混合と他の説明（例：年齢の違い）を区別するための観測的検証を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素燃焼シェルから大気圏へのヘリウム混合が、球状星団における観測されたより青く明るい水平分岐の形状を説明できるか？
• RQ2 ヘリウム混合は、赤色巨星分支段階における質量放出率および明るさの進化をどの程度変化させるか？
• RQ3 ヘリウム混合は、RRリュウス星の周期シフトおよび明るさ-金属量関係にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ヘリウム混合は、ブルー水平分岐星に観測される低表面重力の原因を説明できるか？
• RQ5 ヘリウム混合と年齢の違いを区別するためのどの観測的テストが可能か？

主な発見

• ヘリウム混合モデルは、コアのエネルギー生成が増加することでRGB段階でより高い明るさに達し、結果として質量放出が促進される。
• より高い大気圏ヘリウム含有量と増加した質量放出の組み合わせにより、標準的モデルよりも青く明るい水平分岐の形状が生じる。
• ヘリウム混合は年齢の違いの効果を模倣することができ、HBと主系列の転位点の明るさ差を用いた金属量が低い球状星団の推定年齢を低下させる要因となる。
• 金属量が低い状態でより広範なヘリウム混合が起こると、RRリュウス星の周期シフトが大きくなり、明るさ-金属量関係の勾配が急になる。
• この状況は、ブルーHB星の低表面重力と極端なHB星の起源を説明する妥当な説明を提供する。
• 本稿では、HBの形状、RRリュウス星の性質、およびsdO星の進化との比較を通じて、ヘリウム混合仮説を検証または除外するための一連の観測的テストを提示している。