[논문 리뷰] Age and helium content of the open cluster NGC 6791 from multiple eclipsing binary members. I. Measurements, methods, and first results

K. Brogaard, H. Bruntt외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 65인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 노후하고 철이 풍부한 산개성단 NGC 6791에 속한 세 개의 일식 쌍성(V18, V20, V80)의 고정밀 광도 및 스펙트로스코피를 사용하여 정확한 질량, 반지름, 효율온도 및 금속성 비율을 유도한다. 이 관측자료를 질량-반지름도 및 온도-광도도에서의 별 모델 비교와 결합함으로써, 저자들은 이 성단의 연령과 헬륨 함량을 이전에 없던 정밀도로 제약한다. 그 결과, 최적의 연령은 7.0 Gyr이며 헬륨 질량분율 Y = 0.30로 도출되어 ΔY/ΔZ ≈ 2를 의미하며, 이는 별진화 모델에 대한 제약를 향상시킨다.

ABSTRACT

Earlier measurements of the masses and radii of the detached eclipsing binary V20 in the open cluster NGC 6791 were accurate enough to demonstrate that there are significant differences between current stellar models. Here we improve on those results and add measurements of two additional detached eclipsing binaries, the cluster members V18 and V80. The enlarged sample sets much tighter constraints on the properties of stellar models than has hitherto been possible, thereby improving both the accuracy and precision of the cluster age. We employed (i) high-resolution UVES spectroscopy of V18, V20 and V80 to determine their spectroscopic effective temperatures, [Fe/H] values, and spectroscopic orbital elements, and (ii) time-series photometry from the Nordic Optical Telescope to obtain the photometric elements. The masses and radii of the V18 and V20 components are found to high accuracy, with errors on the masses in the range 0.27-0.36% and errors on the radii in the range 0.61-0.92%. V80 is found to be magnetically active, and more observations are needed to determine its parameters accurately. The metallicity of NGC 6791 is measured from disentangled spectra of the binaries and a few single stars to be [Fe/H]= +0.29 \pm 0.03 (random) \pm 0.07 (systematic). The cluster reddening and apparent distance modulus are found to be E(B - V) = 0.160 \pm 0.025 and (m - M)V = 13.51 \pm 0.06 . A first model comparison shows that we can constrain the helium content of the NGC 6791 stars, and thus reach a more accurate age than previously possible. It may be possible to constrain additional parameters, in particular the C, N, and O abundances. This will be investigated in paper II.

연구 동기 및 목표

• 거리, 적색보정 및 금속성의 상관 오차로 인해 불확실성이 있었던 오래된, 철이 풍부한 산개성단 NGC 6791의 연령 추정치의 정확성과 정밀도를 향상시키기 위해.
• 헬륨 함량(Y)을 다수의 분리된 일식 쌍성의 특성에 기반하여 제약하기 위해, 헬륨 함량에 민감하고 모델에 의존하지 않는 질량 및 반지름 측정이 가능한 점을 활용하기 위해.
• 다수의 쌍성에서 관측된 질량-반지름 및 온도-광도 관계를 사용하여 연령 결정의 모델 의존성을 줄이기 위해, 이를 통해 별진화 모델을 더 엄격하게 시험하기 위해.
• 분리된 스펙트럼과 광도 자료에서 유도된 스펙트로스코픽 파arameter(Teff, [Fe/H]) 및 성단 특성(적색보정, 거리모듈러스)을 측정함으로써 향후 모델 정밀화의 기초를 마련하기 위해.
• 다수의 일식 쌍성이 하나의 성단에 존재할 경우, 연령 척도 및 ΔY/ΔZ 매개변수를 校정하는 데 가능성을 보여주며, 다양한 별 인구에 걸쳐 별모델을 校정하는 데의 함의를 제시하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 UVES 스펙트로스코피를 사용하여 이중성 성분의 도플러 속도를 측정하고 스펙트럼을 분리함으로써 효율온도 및 [Fe/H] 값의 정밀 측정을 가능하게 하였다.
• 노르딕 천체망원경에서 확보한 시간 시리즈 광도 자료를 사용하여 광학적 궤도 요소와 일식 깊이를 유도함으로써, 정확한 별 반지름 및 질량 비율을 결정하였다.
• 스펙트로스코픽 궤도 요소 및 도플러 속도를 광도의 빛의 변화 곡선과 융합하여 V18 및 V20 성분의 절대 질량 및 반지름을 각각 0.27–0.36% 및 0.61–0.92%의 불확도로 유도하였다.
• 성단의 색-등급도(CMD)를 사용하여 성단의 시뮬레이션 거리모듈러스 및 적색보정을 유도하였으며, 이는 관측된 쌍성 파arameter를 기준으로 하였다.
• 이론적 등수열을 사용하여 질량-반지름(MR)도 및 온도-광도(TL)도에서 별 모델 비교를 수행함으로써 연령 및 헬륨 함량을 제약하였다.
• 스펙트럼 분리 자료에서의 금속성 및 적색보정에 대한 제약를 포함하여 분석을 확장하였으며, 체계적 오차 및 무작위 오차 추정치를 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오래되고 철이 풍부한 산개성단 NGC 6791의 정밀한 연령은 무엇이며, 모델 의존성을 줄여가며 어떻게 도출될 수 있는가?
• RQ2 NGC 6791의 헬륨 함량(Y)은 무엇이며, 이는 ΔY/ΔZ 증가 법칙을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 한 성단 내 다수의 분리된 일식 쌍성이 단일 쌍성보다 더 강력한 제약를 별진화 모델에 제공할 수 있는가?
• RQ4 성단 쌍성의 관측된 질량-반지름 및 온도-광도 관계는 이론적 등수열과 어떻게 비교되며, 이는 모델 물리학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 NGC 6791의 원소 조성 패턴(C, N, O 등)이 유도된 연령 및 헬륨 함량에 어느 정도 영향을 미치며, 이를 어떻게 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 질량-반지름도, 온도-광도도 및 색-등급도에 대한 일관된 피팅을 바탕으로, 성단의 연령은 7.0 Gyr로 제약되었으며, 이는 모델 의존성 불확도를 수반한다.
• 헬륨 질량분율은 Y = 0.30으로 결정되었으며, 95% 신뢰구간이 데이터와 일치하여 헬륨 증가 매개변수 ΔY/ΔZ ≈ 2를 나타낸다.
• NGC 6791의 금속성은 [Fe/H] = +0.29 ± 0.03(무작위) ± 0.07(체계적)로 측정되어 높은 금속성을 확인한다.
• 성단의 적색보정은 E(B-V) = 0.160 ± 0.025이며, 시뮬레이션 거리모듈러스는 (m-M)V = 13.51 ± 0.06로, 거리 기준점으로서의 강력한 신뢰성을 제공한다.
• V18 및 V20 성분은 고정밀도로 측정되었으며, 질량은 0.27–0.36%, 반지름은 0.61–0.92%의 정밀도로 측정되어 고정밀도 쌍성 측정의 가능성을 입증한다.
• V80는 자기적 활성화를 보였으며, 정확한 파arameter 측정을 위해 추가 관측이 필요하다는 점을 밝혀내어, 이중성 분석에서 변동성의 중요성을 강조한다.