[논문 리뷰] Atomic diffusion and mixing in old stars II. Observations of stars in the globular cluster NGC 6397 with VLT/FLAMES-GIRAFFE

K. Lind, A. J. Korn외 2명|ArXiv.org|2008. 09. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 36인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 VLT/FLAMES-GIRAFFE 고해상도 분광법을 사용하여, 주계열성의 전환점에서 적색거성 브랜치로 진화하는 금속 결핍성 별들인 별개성운 NGC 6397의 철과 마그네슘 농도가 체계적으로 증가함을 확인한다. 효율 온도가 감소함에 따라 관측된 철 농도의 0.13 dex 증가는 강력하며, 원자 확산과 추가적인 난류 혼합에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 오래되고 금속 결핍성 별의 별진화 모델에 이러한 과정을 포함하는 것을 지지한다.

ABSTRACT

Evolutionary trends in the surface abundances of heavier elements have recently been identified in the globular cluster NGC 6397 ([Fe/H]=-2), indicating the operation of atomic diffusion in these stars. Such trends constitute important constraints for the extent to which diffusion modifies the internal structure and surface abundances of solar-type, metal-poor stars. We perform an independent check of the reality and size of abundance variations within this metal-poor globular cluster. Observational data covering a large stellar sample, located between the cluster turn-off point and the base of the red giant branch, are homogeneously analysed. The spectroscopic data were obtained with the medium-high resolution spectrograph FLAMES/GIRAFFE on VLT-UT2. We derive independent effective-temperature scales from profile fitting of Balmer lines and by applying colour-temperature calibrations to Strömgren uvby and broad-band BVI photometry. An automated spectral analysis code is used together with a grid of MARCS model atmospheres to derive stellar surface abundances of Mg, Ca, Ti, and Fe. We identify systematically higher iron abundances for more evolved stars. The turn-off point stars are found to have 0.13dex lower surface abundances of iron compared to the coolest, most evolved stars in our sample. There is a strong indication of a similar trend in magnesium, whereas calcium and titanium abundances are more homogeneous. Within reasonable error limits, the obtained abundance trends are in agreement with the predictions of stellar structure models including diffusive processes (sedimentation, levitation), if additional turbulent mixing below the outer convection zone is included.

연구 동기 및 목표

• 논문 I에서 보고된 바와 같이, 금속 결핍성 별들인 별개성운 NGC 6397에서 철과 마그네슘의 농도 변화 존재성과 크기를 독립적으로 검증한다.
• 특히 효율 온도에 대한 불확실성에 대비하여 관측된 농도 경향의 견고성을 평가한다.
• 관측된 농도 경향이 원자 확산과 난류 혼합을 포함한 별의 내부 변화 모델과 일치하는지 테스트한다.
• 다양한 온도 결정 방법 간 비교 및 체계적 오차 평가를 통해 분광 분석의 신뢰성을 평가한다.
• 관측된 경향이 모델링 한계의 산물인지, 금속 결핍성이고 오래된 별들에서 진정한 물리적 효과인지 판단한다.

제안 방법

• NGC 6397의 약 100개의 별들에 대해 VLT의 FLAMES/GIRAFFE를 사용하여 중해상도(R ~ 27,000) 분광 데이터를 확보하였으며, 전환점에서 적색거성 브랜치의 기저에 이르는 진화 범위를 포함한다.
• Balmer Hα 선의 프로파일 피팅을 통해 효율 온도를 결정하였고, 여러 색상-Teff 보정법을 사용한 Strömgren uvby 및 밴드 BVI 광도 측정을 통한 교차 검증을 실시하였다.
• 표면 농도를 유도하기 위해 자동화된 코드와 MARCS 1D, 정적 모델 대기계를 사용한 균일한 분광 분석을 수행하였다. 철, 마그네슘, calcium, 티타늄의 농도를 분석하였다.
• 원자 상태 균형과 철 계열 원소의 이온화 평형을 신중히 고려하여 LTE 분석을 적용하여 원소 농도를 결정하였다.
• 원자 확산(沈降 및 상승)과 외부 대류권 아래의 추가 난류 혼합을 포함한 별의 내부 변화 모델 예측과 관측된 농도 경향을 비교하였다.
• 온도 척도의 잠재적 체계적 오차의 영향을 평가하기 위해, 뜨거운 별들에 대해 ±350 K, 차가운 별들에 대해 ±200 K의 이동을 시험하여 관측된 농도 경향에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 큰 균일한 표본과 독립적인 분석 도구를 사용할 경우, NGC 6397 별들에서 철과 마그네슘의 관측된 농도 경향이 유지되는가?
• RQ2 전환점에서 적색거성 브랜치 별들 사이에서 관측된 철 농도 0.13 dex 증가는 효율 온도 결정의 불확실성에 대해 견고한가?
• RQ3 관측된 농도 경향은 원자 확산과 난류 혼합을 포함한 별의 내부 변화 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 추가적인 물리적 과정이 필요한가?
• RQ4 이전 연구에서 NGC 6397의 전환점 별과 적색거성 브랜치 별 간에 뚜렷한 농도 차이가 없었다는 결과와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 온도 척도나 모델링 가정(예: LTE, 1D 모델)의 체계적 오차가 관측된 농도 경향 해석에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가장 뜨겁고 진화가 가장 빠른 전환점 별들(T_eff ≈ 6,250 K)에서 가장 차가우며 진화가 가장 빠른 적색거성 브랜치 별들(T_eff ≈ 5,450 K)로 갈수록 철 농도(log ε_Fe)가 유의미하게 0.13 dex 증가함을 관측하여 표면 농도 증가가 체계적임을 시사한다.
• 관측된 철 농도 경향은 현실적인 효율 온도 체계적 오차에 대해 견고하다: 뜨거운 별의 온도를 350 K 증가시키거나 차가운 별의 온도를 200 K 감소시키는 것만으로도 경향을 제거할 수 있지만, 여러 온도 결정 방법 간 일관성이 높기 때문에 이러한 변화는 부자연스럽다고 저자들이 판단한다.
• 마그네슘 농도에 대해서도 유사한 경향이 나타나지만, 그 검출은 별의 물리적 매개변수에 매우 민감하고 잠재적인 비균일 비선형 상태 효과(NLTE)의 영향을 받을 수 있어 더 불확실하다.
• 칼슘과 티타늄 농도는 유의미한 경향이 없으며, 진화 시퀀스 전반에 걸쳐 평탄한 분포를 유지한다.
• 철과 마그네슘의 관측된 농도 경향은 원자 확산(沈降 및 상승)과 외부 대류권 아래의 추가 난류 혼합을 포함한 별의 내부 변화 모델 예측과 양호한 일치를 보인다.
• 특히 난류 혼합의 영향이 덜한 주계열 이하의 더 차가운 반쪽에서 일치가 더욱 뚜렷하여, 원자 확산이 진화가 덜 된 금속 결핍성 별들의 표면 농도를 형성하는 주요 물리적 메커니즘임을 지지한다.