[論文レビュー] Intermediate-to-Low Mass Stars in Open Clusters and the Evolution of Li

Bruce A. Twarog, Barbara J. Anthony-Twarog+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、1–3 Gyrの年齢の開放集団（OCs）における中程度〜低質量星におけるリチウム（Li）の進化を調査し、リチウムダプ（LD）の高質量端に位置する急激なLi減少境界（「Cliff」）に注目する。Cliffの質量境界は主に金属量によって決定され、時間経過に伴って安定していることが示され、Cliffより上方の星におけるLi減少は、約0.5 Gyrにわたる回転速度の低下に起因し、その結果、大気中への混合が引き起こられ、LiがA(Li) = 1.5未満にまで枯渇する。主な貢献は、LD自体が初期の回転混合によって形成される一時的な特徴であり、LD内部から進化する星は極端なLi枯渇を経験することを示し、『Li豊富な巨星』の概念を再定義することにある。

ABSTRACT

Open clusters (OC) of 1-3 Gyr age contain intermediate-to-low-mass stars in evolutionary phases of multiple relevance to understanding Li evolution. Stars leaving the main sequence (MS) from the hot side of the Lithium dip (LD) at a fixed age can include a range of mass, varying degrees of core degeneracy, and helium ignition under quiescent or flash conditions. An ongoing survey of a significant sample of stars from the giant branch to below the LD in key open clusters has revealed patterns that supply critical clues to the underlying source of Li variation among stars of differing mass and age. While the LD is well established in OC of this age, stars on the hot side of the LD can exhibit Li ranging from the apparent primordial cluster value to upper limits similar to those found at the LD center, despite occupying the same region of the color-magnitude diagram (CMD). Stars on the first-ascent giant branch show a dramatic decline in measurable Li that correlates strongly with increasing age and reduced turnoff mass. We discuss how these trends can be explained in the context of the existence of the LD itself and the temporal evolution of individual stars.

研究の動機と目的

• リチウムダプ（LD）の高質量境界（すなわち「Cliff」）が集団の年齢とともに移動するのか、それとも主に金属量によって決定されるのかを明らかにすること。
• Cliff端における急激なLi減少の物理的メカニズム、特に回転速度の低下が関連する大気中混合を引き起こす役割を調査すること。
• Cliff上に位置する星（原始Liを保持）とLD内部から進化する星（極端なLi枯渇を経験）との間でLi進化がどのように異なるかを評価すること。
• LD内部から進化した星に見られるLi枯渇パターンを踏まえて、『Li豊富な巨星』の定義を再評価すること。

提案手法

• 1–3 Gyrの年齢を有する主要な開放集団（例：NGC 6819、NGC 2243、NGC 7789）における多数の星の高分解能分光データの分析。
• 色mag図（CMD）上でのLi分画量（A(Li)）の比較、特に主系列の転換点および準巨星分岐点での比較。
• 回転速度（V_rot）分布の使用により、減速の timescale を追跡し、Li枯渇パターンと相関をとること。
• 異なる年齢の集団間でのV_rot分布の統計的比較により、回転進化のtimescaleを推定すること。
• 回転混合によるLi枯渇のモデル化。回転速度の低下が約0.5 Gyrにわたって続くと、Liが4倍以上枯渇するほど十分な混合が引き起こされると仮定する。
• Cliffを安定な基準点として用い、Li枯渇の開始時期が[Fe/H]および年齢に依存するかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 開放集団の年齢が経過するにつれて、リチウムダプ（LD）の高質量境界（「Cliff」）はより高い星質量へとシフトするのか、それとも主に金属量によって決定されるのか？
• RQ2 Cliff端における急激なLi減少を引き起こす物理的メカニズムは何か。回転速度の低下および関連する混合と関係があるのか？
• RQ3 リチウムダプの高温側から主系列を去る星のLi分画量は、質量および年齢とどのように変化するのか？
• RQ4 星の初期Li分画量（集団の金属量によって決定される）が、巨星分岐点における最終的なLi状態にどの程度影響を与えるのか？
• RQ5 LD内部から進化した星に見られるLi枯渇パターンを踏まえて、『Li豊富な巨星』の定義はどのように見直すべきか？

主な発見

• リチウムダプ（LD）の高質量境界（「Cliff」）は明確で、時間経過に伴って移動の兆しを示さず、安定している。
• [Fe/H] = +0.4 から -0.5 の範囲で、[Fe/H]が1デシベル低下するごとにCliff境界の質量は約0.4 M☉減少する。これは、金属量がCliff位置の主な決定要因であることを示している。
• Cliff上に位置する星は、準巨星分岐点に達するまで原始的集団Li分画量（A(Li) ≈ 2.4–2.6）を保持するが、その後A(Li)が1.5未満に低下する。
• 主系列の転換点で約0.5 Gyrにわたる回転速度の低下が、Liを4倍以上枯渇させるのに十分な混合を引き起こす。これはLDの起源を説明する。
• 集団の年齢が経過するにつれ、転換点に位置する星のうち、LD内部から進化する星の割合が増加し、巨星分岐点に達する前から極端なLi枯渇が生じる。第一上昇巨星分岐点においてA(Li)は1.0未満にまで低下する。
• 従来の『Li豊富な巨星』の定義（A(Li) > 1.5）は、LD内部から進化した星が初期Li分画量が著しく低い状態から出発するため、一様には適用できず、『Li豊富』状態の閾値は年齢および金属量に応じて変化する必要がある。