[論文レビュー] NGC 6388 reloaded: some like it hot, but not too much

E. Carretta, A. Bragaglia|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、球状星団の汚染星における陽子捕獲核合成のピーク温度を制約するための新しい診断ツールである高温H燃焼プロット（DOHT）を導入する。これまでで最大の均一な元素分光学データセット（NGC 6388の185個の巨星）を用いて、コア静水的状態では約100–150 MK、汚染星が質量の大きいAGB星である場合では110–120 MKのH燃焼温度が得られ、標準的なMg-Al処理を超える高度な核合成が発生していたことが示された。

ABSTRACT

Multiple stellar populations in globular clusters (GCs) are defined and recognized by their chemical signature, with second generation stars showing the effects of nucleosynthesis in the more massive stars of the earliest component formed in the first star formation burst. High temperature H-burning produces the whole pattern of (anti)-correlations among proton-capture elements widely found in GCs. However, where this burning occurred is still debated. Here we introduce new powerful diagnostic plots to detect evidence (if any) of products from proton-capture reactions occurring at very high temperatures. To test these Detectors Of High Temperature (in short DOHT) H-burning plots we show how to put stringent constraints on the temperature range of the first generation polluters that contributed to shape the chemistry of multiple stellar population in the massive bulge GC NGC 6388. Using the largest sample to date (185 stars) of giants with detailed abundance ratios in a single GC (except omega Cen) we may infer that the central temperature of part of the polluters must have been comprised between about 100 and about 150 million Kelvin (MK) if we consider hydrostatic H-burning in the core of massive stars. A much narrower range (110 to 120 MK) is inferred if the polluters can be identified in massive asymptotic giant branch (AGB) stars.

研究の動機と目的

• 球状星団の汚染星において、非常に高温（100 MK以上）での陽子捕獲反応に起因する核合成生成物を検出するための新しい観測的診断手法を開発すること。
• この診断手法を、大規模な銀河中心部の球状星団NGC 6388に適用し、利用可能な最大の均一な巨星の元素分光学データセットを用いること。
• 複数の星族に見られる化学的パターンを引き起こした第一星族の汚染星の温度範囲を制約すること。
• NGC 6388で観測された元素分光学異常が、質量の大きな星のコアにおける静水的H燃焼または質量の大きなAGB星によるH燃焼で説明可能かどうかを検証すること。
• 複数星族系における化学的豊度増幅の発生場所とメカニズムに関する制約を強化すること。

提案手法

• 著者らは、プロトン捕獲元素（例：[Ca/H]、[Sc/H]）の比を[Mg/H]に対してプロットすることで、高温処理の兆候を検出するDOHTプロットを導入した。
• ESOの望遠鏡（UVESおよびGIRAFFE）を用いた高分解能分光学データを、NGC 6388の185個の赤巨星に適用した。
• 全サンプルにわたる均一な分光学的解析を実施し、系誤差を最小限に抑えた。
• DOHTプロットをフィールド星や他の球状星団（例：NGC 2808）と比較し、高温核合成を示す乖離を特定した。
• 70–180 MKのさまざまな温度でのH燃焼の理論的モデルを用いて、観測された元素分光学パターンを解釈した。
• 観測された[Si/Fe]の過剰とCa-Mg/Sc-Mgの反相関がないことと、予測された核合成生成物を照合することで制約を導いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 6388で観測された元素分光学異常、特にSiの過剰とCa/Scの反相関の欠如を説明するためには、どの温度範囲が必要か？
• RQ2 DOHT診断プロットは、球状星団の汚染星において100 MKを超えるH燃焼の証拠を検出可能か？
• RQ3 NGC 6388の化学的パターンは、質量の大きな星のコアにおける静水的H燃焼か、質量の大きなAGB星におけるH燃焼のどちらによって最もよく説明されるか？
• RQ4 NGC 6388の観測された元素分光学比は、極端な核合成が発生したことが知られるNGC 2808などの他の星団とどのように比較できるか？
• RQ5 DOHT手法は、星団内物質を豊度増幅させた汚染星の物理的条件をどの程度まで制約できるか？

主な発見

• DOHTプロットは、NGC 6388におけるCaおよびScの分光学が、類似した金属量のフィールド星とよく一致しており、これらの元素に顕著な高温処理が行われていないことを示している。
• NGC 6388で観測されたSiの過剰は、100 MKを超えるH燃焼温度が存在することを示しており、高度なプロトン捕獲反応と整合的である。
• 観測されたSiの過剰とCa/Sc反相関の欠如を再現するには、質量の大きな星のコアにおけるH燃焼で約100–150 MKの温度範囲が必要である。
• 汚染星が質量の大きなAGB星であると特定される場合、温度範囲は110–120 MKに狭まる。これは、これらの星が対流的外層の基部で120 MKを超える温度に達できないためである。
• NGC 2808とは異なり、NGC 6388では極端なKの過剰が観測されないため、汚染星で150 MKを超える温度が発生していなかったことが支持される。
• 本研究は、大規模で均一な元素分光学データセットが、球状星団の汚染星における核合成のピーク温度を精密に制約可能であることを示した。