[논문 리뷰] Abundances in bulge stars from high-resolution, near-IR spectra I. The CNO elements observed during the science verification of CRIRES at VLT

N. Ryde, B. Edvardsson외 5명|ArXiv.org|2009. 02. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 39인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 VLT의 CRIRES를 사용하여 은하 중심부 거대 항성 3개에서 C, N, O의 처음으로 고해상도 근적외선 성분 분석을 수행하였으며, 불확도가 0.20 dex 이하에 머무르게 하였다. 태양과 유사한 [C+N/Fe]와 옵티컬 데이터와 일치하는 O, Ti, Fe 성분 농도를 발견하여 중심부와 두꺼운 디스크 항성 간에 유의미한 차이가 없음을 시사하였으며, 높은 [S/Fe] 값을 보고하여 중심부에서 초기 항성 형성 속도가 빠르게 일어났음을 시사한다.

ABSTRACT

The formation and evolution of the Milky Way bulge is not yet well understood and its classification is ambiguous. Constraints can, however, be obtained by studying the abundances of key elements in bulge stars. The aim of this study is to determine the chemical evolution of CNO, and a few other elements in stars in the Galactic bulge, and to discuss the sensitivities of the derived abundances from molecular lines. High-resolution, near-IR spectra in the H band were recorded using VLT/CRIRES. Due to the high and variable visual extinction in the line-of-sight towards the bulge, an analysis in the near-IR is preferred. The CNO abundances can all be determined simultaneously from the numerous molecular lines in the wavelength range observed. The three giant stars in Baade's window presented here are the first bulge stars observed with CRIRES. We have especially determined the CNO abundances, with uncertainties of less than 0.20 dex, from CO, CN, and OH lines. Since the systematic uncertainties in the derived CNO abundances due to uncertainties in the stellar fundamental parameters, notably Teff, are significant, a detailed discussion of the sensitivities of the derived abundances is included. We find good agreement between near-IR and optically determined O, Ti, Fe, and Si abundances. Two of our stars show a solar [C+N/Fe], suggesting that these giants have experienced the first dredge-up and that the oxygen abundance should reflect the original abundance of the giants. The two giants fit into the picture, in which there is no significant difference between the O abundance in bulge and thick-disk stars. Our determination of the S abundances is the first for bulge stars. The high [S/Fe] values for all the stars indicate a high star-formation rate in an early phase of the bulge evolution.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 근적외선 분광법을 사용하여 은하 중심부 항성에서 C, N, O의 화학적 진화를 규명하는 것.
• 특히 유효 온도에 대한 유도된 C, N, O 농도의 민감도를 평가하는 것.
• 근적외선 성분 농도 결과를 O, Ti, Fe, Si에 대해 이전의 옵티컬 측정과 비교하는 것.
• 황성 농도 측정을 통해 중심부의 항성 형성 역사를 조사하는 것.
• 바데의 창에서 관측한 항성의 원소 농도 분석을 통해 은하 중심부의 형성 시나리오를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 고해상도 근적외선 스펙트럼을 Very Large Telescope의 CRIRES 분광계를 사용하여 H 대역에서 측정하였다.
• 관측된 파장 범위 내에서 분자선(CO, CN, OH)을 기반으로 C, N, O 및 기타 원소의 농도를 유도하였다.
• 시스템적 불확도를 최소화하기 위해 별의 대기 대류 파rameter(Teff, log g, [Fe/H], 미세 turbulent)를 철저히 결정하였다.
• 특히 Teff에 대한 농도 유도의 민감도를 정량적으로 평가하였다.
• 근적외선 측정 결과를 옵티컬 분광법 데이터와 비교하여 근적외선 측정의 타당성을 검증하였다.
• 근적외선 선을 사용하여 중심부 항성에서 처음으로 황성 농도를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 근적외선 스펙트럼을 통해 은하 중심부 3개의 거대 항성에서 측정된 C, N, O 농도는 무엇인가?
• RQ2 유도된 C, N, O 농도는 특히 유효 온도에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 O, Ti, Fe, Si에 대한 근적외선 농도 측정 결과는 이전의 옵티컬 측정과 일치하는가?
• RQ4 중심부 항성에서의 황성 농도는 초기 항성 형성 속도에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 CNO 및 α 원소 농도를 기반으로 중심부와 두꺼운 디스크 항성 집단 간에 유의미한 화학적 차이가 있는가?

주요 결과

• CO, CN, OH 분자선을 기반으로 3개의 중심부 거대 항성에서 C, N, O 농도를 불확도가 0.20 dex 이하로 결정하였다.
• 태양과 유사한 [C+N/Fe] 비율을 보인 두 항성은 첫 번째 덮개 업 과정을 겪었음을 시사하며, 이는 산소 농도가 원래 조성과 일치함을 의미한다.
• 근적외선 스펙트럼에서 유도된 O, Ti, Fe, Si 농도는 옵티컬 측정과 양호한 일치를 보이며, 고흡광도 지역에 대한 근적외선 방법의 타당성을 검증한다.
• 모든 3개 항성에서 높은 [S/Fe] 값은 중심부에서 높은 초기 항성 형성 속도가 있었음을 시사하며, 짧고 집중적인 항성 형성 붐과 일치한다.
• 중심부와 두꺼운 디스크 항성 간의 산소 농도에 유의미한 차이를 발견하지 못하여 중심부의 화학적 기원이 별개일 것이라는 가정을 도전한다.
• 이 연구는 중심부 항성에서 황성 농도를 처음으로 결정하였으며, 중심부의 화학적 진화에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.