[論文レビュー] The chemical composition of red giants in 47 Tucanae I: Fundamental parameters and chemical abundance patterns

A. O. Thygesen, L. Sbordone+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 110被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、1次元LTEおよびNLTEモデルを用いて、47Tucanaeの赤巨大星13個について高精度な分光的分析を行い、27元素の元素比を導出している。Na-O反相関が確認され、NLTE補正により推定される[Al/Fe]の散らばりが顕著に減少することが判明し、従来のLTE解析がアルミニウムの変動を過大評価していた可能性を示唆している。鉄族元素やs過程元素を含む他の元素には、内在的変動の証拠は見当たらない。

ABSTRACT

Context: The study of chemical abundance patterns in globular clusters is of key importance to constrain the different candidates for intra-cluster pollution of light elements. Aims: We aim at deriving accurate abundances for a large range of elements in the globular cluster 47 Tucanae (NGC 104) to add new constraints to the pollution scenarios for this particular cluster, expanding the range of previously derived element abundances. Methods: Using tailored 1D LTE atmospheric models together with a combination of equivalent width measurements, LTE, and NLTE synthesis we derive stellar parameters and element abundances from high-resolution, high signal-to-noise spectra of 13 red giant stars near the tip of the RGB. Results: We derive abundances of a total 27 elements (O, Na, Mg, Al, Si, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, Ru, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Eu, Dy). Departures from LTE were taken into account for Na, Al and Ba. We find a mean [Fe/H] = $-0.78\pm0.07$ and $[α/{ m Fe}]=0.34\pm0.03$ in good agreement with previous studies. The remaining elements show good agreement with the literature, but the inclusion of NLTE for Al has a significant impact on the behaviour of this key element. Conclusions: We confirm the presence of an Na-O anti-correlation in 47 Tucanae found by several other works. Our NLTE analysis of Al shifts the [Al/Fe] to lower values, indicating that this may be overestimated in earlier works. No evidence for an intrinsic variation is found in any of the remaining elements.

研究の動機と目的

• 47Tucanaeの赤巨大星における広範な元素の正確な基本的星像パラメータおよび化学組成を導出すること。
• 非局所平衡（NLTE）効果が、汚染シナリオモデルの中心的要素であるアルミニウムを含む主要な軽元素に与える影響を評価すること。
• 鉄族元素、s過程元素、r過程元素における内在的組成変動の有無を検証し、クラスターの金属量およびα元素の過剰度を評価すること。
• 特に自己汚染シナリオの文脈において、球状星団における軽元素組成変動の原因をより良い制約をもって明らかにすること。
• 今後の他のクラスターとの比較や、密集した星系における多人口現象の解釈のためのベンチマークデータセットを整備すること。

提案手法

• 欧州南天天文台のアレクサンドラ・パラナル観測所に設置されたESOVeryLargeTelescopeを用いて、高分解能・高S/N比分光観測を実施した。
• 星の大気パラメータ（Teff、log g、[Fe/H]）は、カスタマイズされた1次元LTEモデル大気とスペクトルライン解析を用いて導出した。
• 元素比は等価幅測定およびスペクトル合成を用いて計算され、Na、Al、Baのラインに対してNLTE補正を適用した。
• 特に強度の高いラインブレンドやNLTE効果を示す元素に対して、精度を確保するため、LTEおよびNLTE合成手法を統合して分析した。
• 元素比は鉄を基準として計算され、効果的温度との傾向を検討して誤った変動を特定した。
• 統計的検定を用いて観測された元素比変動の有意性を評価し、特に内在的散らばりの同定に注力した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所平衡（NLTE）効果を適切に考慮した場合、47Tucanaeにおけるアルミニウムの組成変動の真のレベルは何か？
• RQ2 47Tucanaeにおける観測されたNa-O反相関は、きめ細やかなNLTE解析のもとでも成立するか？ そしてそれはクラスターの複数人口に何を示唆するか？
• RQ3 47Tucanaeに鉄族元素やs過程／r過程元素における内在的変動は存在するか？ これは複雑な増幅歴を示唆するか？
• RQ4 得られた組成は、金属量およびα過剰度の観点で、従来の研究とどのように比較できるか？
• RQ5 NLTE補正は、元素比の散らばりをどの程度減少させるか？ そしてこれは、球状星団における組成変動の解釈にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 47Tucanaeの平均金属量は[Fe/H] = -0.78 ± 0.07であり、従来の高精度研究と整合的である。
• α元素の過剰度は[α/Fe] = 0.34 ± 0.03であり、初期の星形成に起因する高金属量・α過剰環境であることを示唆している。
• Na-O反相関が確認され、Naが豊富な星では酸素が枯渇していることが判明し、球状星団における複数人口の特徴的兆候である。
• Alに対するNLTE補正により、観測された[Al/Fe]の散らばりが約2倍に減少した。これは、従来のLTE解析がアルミニウムの内在的散らばりを過大評価していた可能性を示唆している。
• 鉄族元素（Cr、Mn、Ni、Znなど）、s過程元素（Y、Zr、Ba、La、Ce、Pr、Ndなど）、r過程元素（Eu、Dyなど）に顕著な内在的変動は認められず、これらの核種は単一金属量であることが示された。
• s過程元素（例：Ba、La）のEuに対する元素比から、s過程寄与は存在するが、他のいくつかのクラスターほど強くはなく、BaはEuと同等のレベルに過剰していることが判明した。