[論文レビュー] The first stages of the evolution of Globular Clusters

F. D’Antona, P. Ventura+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、球状星団（GC）の化学的異常を説明するための漸近巨星分岐（AGB）自己増殖モデルをレビューし、最初の約100 Myrにかけて質量の大きなAGB星がCNO元素を処理した物質をクラスタに供給し、異常な元素比を持つ第二世代星を形成すると提案している。主な証拠は水平枝（HB）の形状であり、特にNGC 6441およびNGC 2808においてヘリウム豊富な星族（Y > 0.35）が延長赤クラスターと長周期RR Lyrae変光星を説明している。

ABSTRACT

The majority of the inhomogeneities in the chemical composition of Globular Cluster (GC) stars appear due to primordial enrichment. The most studied model today claims that the ejecta of Asymptotic Giant Branch (AGB) stars of high mass -those evolving during the first ~100Myr of the Clusters life- directly form a second generation of stars with abundance anomalies. In this talk, we review the status of the art with regard to this model, whose major problems are i) the modelling of the chemical anomalies is still not fully complete, and ii) it requires an IMF peculiarly enhanced in the intermediate mass stars. The model predicts enhanced helium abundance in the stars showing chemical anomalies, and the helium abundance distribution can be roughly derived from the morphology of the horizontal branch. Such distribution may possibly help to falsify the model for the first phases of evolution of GCs. As an illustration, we compare the results of the analysis of the HB morphology of some clusters.

研究の動機と目的

• 球状星団の星における化学的異常を説明する主なメカニズムとしてのAGB自己増殖モデルの評価。
• 水平枝星における観測されたヘリウム含有量分布が、AGBモデルを否定または支持するかを評価すること。
• 47 Tucのような星団におけるヘリウム豊富な星の割合と観測されたCN含有量パターンの不一致を解消する試み。
• 変動する初期質量関数および原始的クラスタ質量が第一世代星の生存に与える影響の解明。

提案手法

• 金属豊富なGCにおける観測されたHB形状に一致させるために、ヘリウム豊富な星族を用いた合成HBモデリング。
• 観測されたHB光度関数（例：NGC 6441、NGC 6388、47 Tuc）とシミュレートされた分布を比較し、ヘリウム含有量分布を推定。
• 光度測定データと合成モデルに基づくヘリウム歴史解析を用い、Y > 0.25、Y > 0.33、およびY > 0.35の星の割合を導出。
• 水平点、準巨星分枝の星における異常な元素比（O/Fe、CNO、Na）の分析を通じて、核合成源を制約。
• AGB星モデルにホットボトムバーニング（HBB）および第三の混合上昇効果を取り入れ、表面成分を予測。
• 観測的制約に照らし、高速回転する質量の大きな星や混合雲シナリオなどの代替モデルを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団の星における観測された化学的異常は、質量の大きなAGB星からの自己増殖によって説明可能か？
• RQ2 第二世代星の形成に十分な量のAGB物質を供給するには、どの初期質量関数（IMF）が必要か？
• RQ3 水平枝の形状から推定されたヘリウム含有量分布は、AGB自己増殖モデルを支持するか？
• RQ4 なぜNGC 6441やNGC 2808のような星団ではY > 0.35の星の割合が顕著に高く、これは観測されたHB形状とどのように関連するか？
• RQ5 47 TucにおけるCN強およびCN弱星の観測された割合は、HBモデリングから導かれたヘリウム歴史と整合するか？

主な発見

• AGB自己増殖モデルは、化学的に異常な星においてヘリウム含有量が増加することを予測し、NGC 6441ではヘリウム豊富な星族（Y > 0.35）が約14%、NGC 6388では約20%に達することが示された。
• NGC 6441における延長赤クラスターと長周期RR Lyrae変光星は、Y = 0.25からY ≈ 0.27へのヘリウムの不連続性によって最もよく説明され、AGB増殖と整合的である。
• NGC 6441の観測されたHB形状には、高光度領域に明確な赤クラスター星の過剰が認められ、高光度でヘリウム豊富な星族が存在することを示している。
• NGC 6441におけるY > 0.35の星の割合（14%）は、NGC 2808におけるY ≈ 0.4の星の割合（15%）とほぼ同等であり、極端なヘリウム増殖の共通の起源を示唆している。
• 47 TucではY > 0.25の星の割合が25%にとどまるが、CN強およびCN弱星の割合がほぼ等しいという不一致は、より高い原始的ヘリウム含有量または代替メカニズムの必要性を示唆している。
• このモデルは、原始的球状星団が現在の星団よりもはるかに質量が大きく、第一世代星が顕著に損失を被った可能性を示唆しており、IMFの不整合を解消する。