[論文レビュー] Lithium and sodium in the globular cluster M4. Detection of a Li-rich dwarf star: preservation or pollution?

L. Monaco, S. Villanova+6 more|Jul 31, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高分解能VLT/GIRAFFE分光計を用いて、球状星団M4の主系列星および準巨星系列星91個のリチウムおよびナトリウムの同位体比を調査した。浅いLi-Na反相関が検出され、A(Li) = 2.87を示す単一のLi豊富な矮星（星 #37934）が特定された。これは、初期の星族からの汚染が原因である可能性を示唆するが、原始的保存の可能性を完全に除外する明確な証拠はない。

ABSTRACT

Context. The abundance inhomogeneities of light elements observed in Globular Clusters (GCs), and notably the ubiquitous Na-O anti-correlation, are generally interpreted as evidence that GCs comprise several generations of stars. There is an on-going debate as to the nature of the stars which produce the inhomogeneous elements, and investigating the behavior of several elements is a way to shed new light on this problem. Aims. We aim at investigating the Li and Na content of the GC M 4, that is known to have a well defined Na-O anti-correlation. Methods. We obtained moderate resolution (R=17 000-18 700) spectra for 91 main sequence (MS)/sub-giant branch stars of M 4 with the Giraffe spectrograph at the FLAMES/VLT ESO facility. Using model atmospheres analysis we measured lithium and sodium abundances. Results. We detect a weak Li-Na anti-correlation among un-evolved MS stars. One star in the sample, # 37934, shows the remarkably high lithium abundance A(Li)=2.87, compatible with current estimates of the primordial lithium abundance. Conclusions. The shallow slope found for the Li-Na anti-correlation suggests that lithium is produced in parallel to sodium. This evidence, coupled with its sodium-rich nature, suggests that the high lithium abundance of star # 37934 may originate by pollution from a previous generations of stars. The recent detection of a Li-rich dwarf of pollution origin in the globular cluster NGC 6397 may also point in this direction. Still, no clear cut evidence is available against a possible preservation of the primordial lithium abundance for star # 37934.

研究の動機と目的

• 球状星団M4の主系列星および準巨星系列星におけるリチウムおよびナトリウムの同位体比パターンを調査すること。
• M4で観測されたLi-Na反相関が、過去の星族からの汚染か、原始的リチウムの保存かを検証すること。
• 星 #37934が示す顕著に高いリチウム同位体比（A(Li) = 2.87）の起源を特定すること。
• 軽元素の不均一性を分析することで、球状星団における複数星族の議論に貢献すること。

提案手法

• M4の91個の星に対して、VLTのFLAMES/GIRAFFE装置を用いて中分解能（R ≈ 17,000–18,700）分光計測を実施した。
• スペクトルは、標準的な校正およびスカイ補正を施したFLAMES/GIRAFFEデータ還元パイプライン（バージョン2.13）を用いて処理した。
• モデル大気解析を用いて、LTEおよびNLTE効果を考慮したリチウムおよびナトリウムの同位体比を測定した。
• 線形回帰および非パラメトリック検定を用いてLi-Na反相関の有意性を評価し、内部（0.09 dex）および外部（0.15 dex）の不確実性を考慮した誤差伝搬を実施した。
• パラメトリック検定の信頼性を検証するため、効果的温度が5880 K以上の星に焦点を当て、星 #37934を除外した。
• 標準誤差推定値および同等波長測定値間の整合性チェックを用いて、同位体比測定値の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M4の未発達星において、リチウムとナトリウムの同位体比に有意な反相関が存在するか？
• RQ2 星 #37934が示す顕著に高いリチウム同位体比（A(Li) = 2.87）の起源は何か？ これは汚染か、原始的保存を示唆するか？
• RQ3 Li-Na反相関の浅い勾配は、星団の化学的進化過程でリチウムとナトリウムが共に生成されたことを支持するか？
• RQ4 M4の第一星族星におけるリチウム同位体比は、スプリット・プラットフォームと比較してどう異なるか？ これは宇宙論的リチウム問題に何を示唆するか？
• RQ5 M4に存在するLi豊富な矮星は、過去の星族からの汚染によって説明可能か？NGC 6397での類似した発見と整合的か？

主な発見

• M4の未発達主系列星および準巨星系列星において、浅いLi-Na反相関が検出された。LTEでは勾配が-0.30 ± 0.09、NLTEでは-0.22 ± 0.07であり、3.1–3.3σの有意性を示した。
• 星 #37934はリチウム同位体比A(Li) = 2.87を示し、これは原始的リチウム同位体比と整合的であり、同様の星の典型的な値よりも顕著に高い。
• 星 #37934のナトリウム豊富性と高いリチウム同位体比を併せ持つことは、過去の星族からの物質の汚染を示唆する。
• パラメトリックおよび非パラメトリック統計的検定により、Li-Na反相関の実在性が確認された。内部同位体比誤差は約0.09 dexと推定された。
• 星 #37934のリチウムが原始的である可能性を完全に除外する明確な証拠はないが、化学的特徴から汚染シナリオがより支持される。
• 最近のNGC 6397におけるLi豊富な矮星の検出と整合的であり、このような希少な対象の起源として汚染が支持される。