[論文レビュー] The puzzling MgAl anticorrelation in globular-cluster red giants: primordial plus deep mixing scenario?

Pavel A. Denissenkov, G. S. Da Costa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、球状星団の赤色巨星における[Mg/Fe]と[Al/Fe]の奇妙な逆相関を調査し、中質量のAGB星が低質量星に24Mgが枯渇し、25Mgが豊富な物質を初期に豊かに与え、その後に深層混合が発生することで25Mg由来のアルミニウムが表面に運ばれるという「初期物質供給＋深層混合」のシナリオを提案する。このモデルは、物理的に不自然な仮定を必要とせず、観測された逆相関をうまく説明できる。

ABSTRACT

Star-to-star abundance variations of C, N, O, Na and Al in globular-cluster red giants have been recently supplemented by the finding that [Mg/Fe] is depleted in stars with extremely large [Al/Fe] (Shetrone 1996a). This and other new spectroscopic results allow us to test current models of stellar evolution and nucleosynthesis, as well as those of the formation and chemical enrichment of globular clusters. In an effort to explain self-consistently these observations we have considered two possibilities: (1) a deep mixing scenario which assumes that in red giants some kind of (extra)mixing transports products of nuclear reactions from the hydrogen burning shell (HBS) to the base of the convective envelope; and (2) a combination of primordial and deep mixing scenarios. It is shown that (1) cannot account for the anticorrelation of [Mg/Fe] vs. [Al/Fe] without additional ad hoc assumptions, among which we identify a strong but still undetected low energy resonance in the reaction 24Mg(p,gamma)25Al, and episodical increases of the HBS temperature up to the value T approx. 74x10^6 K. In (2) intermediate mass AGB stars are assumed to produce the decreased 24Mg and increased 25Mg initial abundances in some globular-cluster low mass stars and Al is synthesized at the expense of 25Mg in the HBS and transported to the surface of the red giant by extramixing. We discuss advantages and deficiencies of both scenarios and propose some observational tests.

研究の動機と目的

• 標準的な星の進化モデルに挑戦する、球状星団の赤色巨星における[Mg/Fe]と[Al/Fe]の観測された逆相関を説明すること。
• 深層混合だけが、特にアルミニウムが豊富な星におけるマグネシウムの枯渇を説明できるかどうかを検証すること。
• 中質量AGB星による初期の物質供給と、その後に起こる低質量赤色巨星における深層混合を組み合わせた代替シナリオを検討すること。
• 観測された元素濃度傾向を再現するために必要な物理的メカニズムと核反応を同定すること。
• 競合する核生成シナリオを区別するための観測的検証法を提案すること。

提案手法

• 中質量AGB星における核生成をモデル化し、24Mgが減少し、25Mgが増加した初期の元素濃度を生成すること。
• 低質量赤色巨星における深層混合プロセスをシミュレートし、水素燃焼シェルから表面に物質が運ばれる様子を再現すること。
• AGB星による汚染を受けた初期組成を持つ星の進化を追跡するための星の進化コードを用い、25Mg(p,γ)26Al反応を含めること。
• 水素燃焼シェルの温度の変動と、24Mg(p,γ)25Al反応における低エネルギー共鳴状態の可能性がMg-Al逆相関に与える影響を評価すること。
• 予測された表面元素濃度を、球状星団の赤色巨星における観測された[Mg/Fe]と[Al/Fe]と比較すること。
• モデルが既存の分光的データおよびC、N、O、Naなどの他の要素からの制約と整合しているかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深層混合だけが、球状星団の赤色巨星における[Mg/Fe]と[Al/Fe]の観測された逆相関を説明できるか？
• RQ2 深層混合を観測されたMg-Al傾向と一致させるために、どの核反応速度または追加の物理的メカニズムが必要か？
• RQ3 初期物質供給の後、深層混合が起こる二段階のシナリオが、深層混合単体よりもデータと整合性があるか？
• RQ4 24Mg(p,γ)25Alに仮想の低エネルギー共鳴状態が存在する場合、Mg-Al逆相関にどのような影響を与えるか？
• RQ5 観測的に、元素濃度測定や星団の性質診断を通じて、提案されたモデルをどのように検証できるか？

主な発見

• 深層混合モデルだけでは、24Mg(p,γ)25Al反応に観測されていない低エネルギー共鳴状態を仮定しない限り、Mg-Al逆相関を再現できない。
• 深層混合モデルにおいては、水素燃焼シェルの温度が約74×10⁶ Kまで一時的に上昇する必要があり、これは物理的に十分に裏付けられていない。
• 初期物質供給＋深層混合のシナリオは、中質量AGB星から低質量星に25Mgが豊富で24Mgが枯渇した物質が初期に供給されたと仮定することで、逆相関をうまく説明できる。
• このシナリオでは、アルミニウムが水素燃焼シェルで25Mgから生成され、追加の混合によって表面に運ばれ、観測された[Al/Fe]の増加と一致する。
• モデルは、観測されていない共鳴状態や極端な温度上昇といった便宜的な仮定を回避できる。
• 著者らは、金属量や進化段階が異なる星における[Mg/Fe]と[Al/Fe]の測定を通じた観測的検証を提案している。