[論文レビュー] Population synthesis to constrain Galactic and Stellar Physics- I- Determining age and mass of thin-disc red-giant stars

N. Lagarde, A. C. Robin+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用数 22

ひとこと要約

本論文では、熱塩混合作用を含む最新のSTAREVOLコードによる星の進化トラックを用いた新しい集団合成モデルを提示する。これにより、薄銀河ディスクの赤色巨星クラスター星の表面[C/N]比を用いて、年齢と質量を正確に推定可能となる。主な貢献は、金属量依存の経験的関係を導出し、[C/N]と星の質量・年齢の関係を、太陽系外の星の振動（セイズミック）および分光的観測データと照合することで検証したことである。内部混合作用を考慮することで、年齢推定の正確性が顕著に向上する。

ABSTRACT

The cornerstone mission Gaia, together with complementary surveys, will revolutionize our understanding of the formation and history of our Galaxy, providing accurate stellar masses, radii, ages, distances, as well as chemical properties for a very large sample of stars across different Galactic stellar populations.Using an improved population synthesis approach and new stellar evolution models we attempt to evaluate the possibility of deriving ages and masses of clump stars from their chemical properties.A new version of the Besancon Galaxy model (BGM) uses new stellar evolutionary tracks computed with STAREVOL.These provide chemical and seismic properties from the PMS to the early-AGB.For the first time, the BGM can explore the effects of an extra-mixing occurring in red-giant stars.In particular we focus on the effects of thermohaline instability on chemical properties as well as on the determination of stellar ages and masses using the surface [C/N] abundance ratio.The impact of extra-mixing on 3He, 12C/13C, N, and [C/N] abundances along the giant branch is quantified.We underline the crucial contribution of asteroseismology to discriminate between evolutionary states of field giants belonging to the Galactic disc.The inclusion of thermohaline instability has a significant impact on 12C/13C,3He as well as on the [C/N] values.We show the efficiency of thermohaline mixing at different metallicities and its influence on the determined stellar mass and age from the observed [C/N] ratio.We then propose simple relations to determine ages and masses from chemical abundances according to these models.We emphasize the usefulness of population synthesis tools to test stellar models and transport processes inside stars.We show that transport processes occurring in red-giant stars should be taken into account in the determination of ages for future Galactic archaeology studies.(abridged)

研究の動機と目的

• 化学的組成比を用いて、薄銀河ディスクの赤色巨星の年齢と質量をよりよく推定すること。
• 赤色巨星分枝の進化過程において、熱塩不安定性が表面組成（例えば、[C/N]、12C/13C、3He）に与える影響を評価すること。
• 銀河考古学への応用を目的として、[C/N]と星の質量・年齢との間の金属量依存の経験的関係を確立すること。
• 振動測定法が、場所の赤色巨星の進化状態を区別する能力を検証すること。
• 選択バイアスと集団固有の分散を考慮した上で、表面化学的性質を用いた星の年齢推定をキャリブレーションすること。

提案手法

• 本研究では、主系列前から初期AGBまでの進化を含む、新しいバージョンのBesançon銀河モデル（BGM）を用いる。
• 星の進化モデルには、質量0.6〜6.0 M⊙および金属量5種（Z = 0.0001〜0.04）の範囲で熱塩不安定性の効果を組み込む。
• 各進化トラックについて、全般的な性質、化学的性質（54種の同位体および種別を含む）、および地震的性質（Δν、νmax、ΔΠℓ=1）を計算する。
• 模擬星のカタログを作成し、Gaia、CoRoT、Kepler、K2、APOGEEからの観測データと比較することで、モデルの物理的性質を制約する。
• 金属量の区分ごとに統計的フィッティングを用いて、[C/N]と質量・年齢との関係を導出する。この際、集団の分散と選択効果を考慮する。
• 予測された[C/N]分布と観測データ（特に異なる[Fe/H]区分におけるクラスター星）を比較することで、モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱塩混合作用は、さまざまな金属量において赤色巨星の表面組成（[C/N]、12C/13C、3Heなど）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 クラスター星において、[C/N]比を信頼性高く星の質量と年齢の推定に用いることができるか？また、金属量に依存する関係は何か？
• RQ3 振動測定法は、場所の赤色巨星における進化段階の区別をどの程度向上させるか？
• RQ4 選択バイアスと集団固有の分散は、[C/N]に基づく年齢・質量推定の信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 熱塩混合作用を組み込むことで、銀河考古学的研究における年齢推定の正確性はどの程度向上するか？

主な発見

• 熱塩混合作用は、特にボウム以降の段階で、赤色巨星の表面12C/13C、[C/N]、3Heの組成に顕著な変化をもたらし、全金属量範囲で測定可能な効果を示す。
• 上部赤色巨星分枝星では、熱塩混合作用により[C/N]比に強い分散が生じるが、クラスター星では安定化し、信頼性の高い年齢と質量推定が可能になる。
• クラスター星では、金属量依存の関係式が導出された。例えば、-0.20 ≤ [Fe/H] ≤ -0.10 の範囲では、質量 = 15.66·[C/N]² + 11.27·[C/N] + 2.887 であり、他の金属量区分に対しても同様の式が得られた。
• 年齢は、log(年齢[yr]) = 1.932·[C/N]² + 7.904·[C/N] + 13.27（-0.20 ≤ [Fe/H] ≤ -0.10）で推定され、他の金属量範囲では異なる係数が使用された。
• 熱塩混合作用を組み込むことで、年齢と質量推定における系統的誤差が低減され、振動測定データとの整合性が向上した。
• モデルは、特に[C/N]が信頼性に欠ける上部RGB星とクラスター星を区別する上で、振動測定法が不可欠であることを示している。