[論文レビュー] The Ancient Globular Clusters Were Much More Massive At Birth

Charlie Conroy|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、20個の銀河系球状星団における[Na/Fe]と[O/Fe]の反比例関係をモデル化した結果、球状星団は現在の質量よりも10–20倍の質量で誕生した可能性があると提唱している。分析の結果、純粋なAGB噴出物質由来の星の質量分率（f_p）は初期星団質量に応じて増加し、これは顕著な質量損失と、観測された元素組成パターンを説明するのに十分な噴出物質を保持するための高い初期質量を必要とすることを示唆している。

ABSTRACT

All globular clusters (GCs) studied to date show evidence for internal variation in their light element abundances. These variations have been interpreted as evidence for multiple star formation episodes within GCs, with secondary episodes fueled, at least in part, by the ejecta of AGB stars from a first generation of stars. A major puzzle emerging from this otherwise plausible scenario is that the fraction of stars associated with the second episode of star formation is observed to be much larger than expected for a standard IMF. The present work investigates this tension by modeling the observed anti-correlation between [Na/Fe] and [O/Fe] for 20 Galactic GCs. If the abundance pattern of the retained AGB ejecta does not depend on GC mass at fixed [Fe/H], then a strong correlation is found between the fraction of current GC stellar mass comprised of pure AGB ejecta, f_p, and GC mass. This fraction varies from 0.20 at low masses (10^4.5 Msun) to 0.45 at high masses (10^6.5 Msun). The fraction of mass associated with pure AGB ejecta is directly related to the total mass of the cluster at birth; the ratio between the initial and present mass in stars can therefore be derived. Assuming a star formation efficiency of 50%, the observed Na-O anti-correlations imply that GCs were at least 10-20 times more massive at birth. These factors are lower limits because any mass-loss mechanism that removes first and second generation stars equally will leave f_p unchanged. The mass-dependence of f_p probably arises because lower mass GCs are unable to retain all of the AGB ejecta from the first stellar generation. Recent observations of elemental abundances in intermediate-age LMC clusters are re-interpreted and shown to be consistent with this basic scenario. A convincing explanation of these trends is currently lacking.

研究の動機と目的

• 球状星団の内部元素組成の変動と、第二世代星形成に起因する予想される低質量分率との間に生じる矛盾を解消すること。
• 観測された[Na/Fe]–[O/Fe]反比例関係が、現在観測されている質量よりも高い初期質量を示唆するかどうかを調査すること。
• 固定された[Fe/H]条件下で、純粋なAGB噴出物質分率（f_p）が初期星団質量および金属量にどのように依存するかをモデル化すること。
• 両世代星に同じく影響を及ぼす質量損失機構が存在する場合、質量依存的なAGB噴出物質の保持が、さまざまな質量の球状星団における観測された元素組成パターンを説明できるかどうかを評価すること。
• 提案された初期質量増加シナリオを踏まえて、中年齢のLMC星団を再評価すること。

提案手法

• 20個の銀河系球状星団における観測された[Na/Fe]–[O/Fe]反比例関係を、元素組成データを用いてモデル化する。
• 固定された[Fe/H]において、保持されたAGB噴出物質の組成が星団質量に依存しないと仮定し、質量依存的なf_pの推定が可能になるようにする。
• 50%の星形成効率を仮定して、初期質量/現在質量比を観測されたf_pから導出する。
• f_p–質量相関を用いて、現在の質量と観測された元素組成パターンから初期星団質量を推定する。
• 同じ枠組みを中年齢のLMC星団に適用し、モデルとの整合性を検証する。
• 第一世代および第二世代星に同じく影響を及ぼす質量損失機構はf_pに影響を及ぼさないため、これを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたNa-O反比例関係を再現するためには、球状星団がどれほどの初期質量を有する必要があるか？
• RQ2 固定された噴出物質組成を仮定した場合、純粋なAGB噴出物質由来の質量分率（f_p）は初期星団質量にどのように変化するか？
• RQ3 銀河系およびLMCの球状星団における観測された元素組成パターンは、より高い初期質量とAGB噴出物質の再循環によって説明可能か？
• RQ4 両世代星に同じく影響を及ぼす質量損失プロセスは、推定された初期質量にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 なぜ球状星団におけるf_pの質量依存性について、説得力のある物理的説明がまだ存在しないのか？

主な発見

• 現在の星の質量のうち、純粋なAGB噴出物質由来の割合（f_p）は初期星団質量に応じて増加し、10^4.5 Msunでは0.20、10^6.5 Msunでは0.45に達する。
• 観測されたNa-O反比例関係から、星形成効率が50%であると仮定した場合、球状星団は現在の質量よりも少なくとも10–20倍の質量で誕生したと推定される。
• この質量増加は下限値であり、両世代星に同じく影響を及ぼす質量損失機構はf_pに影響を及ぼさないため、f_pに変化をもたらさない。
• f_pの質量依存性は、低質量星団が第一世代星のAGB噴出物質をすべて保持できないことによる可能性が強い。
• 中年齢LMC星団の最新の元素組成データは、より高い初期質量とAGB噴出物質の再循環を想定したシナリオと整合的である。
• 強力な観測的根拠があるにもかかわらず、観測されたf_p–質量相関の明確な物理的説明はまだ得られていない。