[論文レビュー] Helium variation due to self-pollution among Globular Cluster stars: consequences on the horizontal branch morphology

F. D’Antona, V. Caloi+3 more|ArXiv.org|Sep 17, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 23被引用数 199

ひとこと要約

本稿は、中質量のAGB星による自己汚染が、恒星間媒体にヘリウムおよびCNO元素を豊かにすることによって、球状星団における水平分岐（HB）の形態をどのように説明できるかを調査している。ヘリウムの豊かさ（Y ≈ 0.28）が、より低質量の転送星を生じさせ、特にM13やNGC 6752のようなCNO元素の豊かさに大きな分散を示すクラスターでは、極めて青い水平分岐星の形成を可能にする。

ABSTRACT

It is becoming clear that `self--pollution' by the ejecta of massive asymptotic giant branch stars has an important role in the early chemical evolution of globular cluster stars, producing CNO abundance spreads which are observed also at the surface of unevolved stars. Considering that the ejecta which are CNO processed must also be helium enriched, we have modelled stellar evolution of globular cluster stars by taking into account this possible helium enhancement with respect to the primordial value. We show that the differences between the main evolutionary phases (main sequence, turn--off and red giants) are small enough that it would be very difficult to detect them observationally. However, the difference in the evolving mass may play a role in the morphology of the horizontal branch, and in particular in the formation of blue tails, in those globular clusters which show strong CNO abundance variations, such as M13 and NGC 6752.

研究の動機と目的

• 球状星団の星々の進化軌道に、AGB星による自己汚染によって生じるヘリウムの豊かさが及ぼす影響を評価すること。
• ヘリウムの変動が、特にM13 や NGC 6752 のようなクラスターにおける観測された水平分岐の形態、特に青い尾部の存在を説明できるかどうかを特定すること。
• ヘリウムが豊富な集団が、主系列、転送点、赤色巨星分岐の進化を通じて観測的に標準集団と区別できるかどうかを評価すること。
• ヘリウムのばらつきが、水平分岐の形態における「第二のパラメータ問題」の解決策として果たす役割を調査すること。

提案手法

• 金属量 Z = 2×10⁻⁴ および Z = 10⁻³ において、初期ヘリウム割合 Y = 0.23–0.24（原始的）と Y = 0.28（ヘリウムが豊富な）の星の進化等温線を比較すること。
• ヘリウム割合の変動に応じた、主系列、転送点、赤色巨星分岐、水平分岐の進化段階をモデル化すること。
• Y = 0.28 の場合に、極めて青いHB星を模擬するために、ZAHB（ゼロ年水平分岐）モデルを 0.491 M⊙ まで延長すること。
• ヘリウムの豊かさに起因する転送星の光度および質量の違いを、質量損失と進化 timescale に注目して分析すること。
• AGB星からの放出物質に由来する観測されたCNO元素の豊かさのばらつきとヘリウムの豊かさを、星の進化モデルに組み込むこと。
• 特にHBの形態に注目した色-等級図の特徴を通じて、ヘリウムの変動が観測的に検出可能かどうかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGB星による自己汚染に起因するヘリウムの豊かさは、球状星団の水平分岐における青い尾部の形成を説明できるか？
• RQ2 ヘリウムの変動が、主系列、転送点、赤色巨星分岐の位置と形態にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 ヘリウム割合の増加（Y = 0.28）は、水平分岐を進化する星々の質量および光度にどのように影響するか？
• RQ4 M13 や NGC 6752 のようなクラスターにおける観測された水平分岐の形態は、自己汚染に起因するヘリウム割合のばらつきと整合的か？
• RQ5 ヘリウムの豊かさが、水平分岐の形態における「第二のパラメータ問題」の解決策として機能できるか？

主な発見

• AGB星からのヘリウムの豊かさ（Y ≈ 0.28）により、転送星の質量が顕著に減少し、0.6 M⊙ のモデルでは、標準的な Y = 0.24 のモデルよりも光度が 0.4 mag 以上明るくなる。
• 標準的集団とヘリウムが豊富な集団との間で、主系列、転送点、赤色巨星分岐の進化に顕著な差が生じるが、これらは観測的に検出可能ではない。
• 水平分岐の形態はヘリウムのばらつきに大きく影響を受けており、とくに非常に低い包層質量を持つ極めて青いHB星の形成を可能にする。
• RR Lyrae領域では、最大のヘリウム含有量（Y = 0.28）を持つ星だけが顕著に明るく見えるが、標準的な質量損失（ΔM ≥ 0.2 M⊙）によってこの効果は隠蔽されている。
• M13 や NGC 6752 における青い尾部の存在は、ヘリウム割合のばらつきによって最もよく説明できる。これは、より低質量の転送星が形成され、それらが低包層質量の青いHB星に進化するのを可能にする。
• 一部のクラスターにおけるCNの二重性分布と延長した青いHBの存在は、自己汚染が星団の恒星間媒体の大部分に及んでいたことを示唆しており、AGB物質の効率的な再処理が行われていたと考えられる。