[논문 리뷰] CNO dredge-up in a sample of APOGEE/Kepler red giants: Tests of stellar models and Galactic evolutionary trends of N/O and C/N

Fiorenzo Vincenzo, David H. Weinberg외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 07.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 약 5,100개의 적색거탑에 대한 APOGEE 및 Kepler 데이터를 활용하여 별의 진화 모델을 검증하며, CNO 표류상승을 보정하여 탄생 시 원소 농도를 유도한다. 표준 혼합 모델은 관측된 N/O 및 C/N 경향을 재현하지만, 추가 혼합 모델은 실패한다. 보정된 농도는 [α/Fe]와 관련된 명백한 은하수 디스크 경향을 드러내며, 별의 연령 추정 및 핵합성 모델에 대한 함의를 지닌다.

ABSTRACT

Surface abundances of C, N, and O in red giants are affected by processed material mixed into the stars' convective envelopes. Using a sample of $\sim 5100$ stars with elemental abundances from APOGEE and asteroseismic masses from {\it Kepler}, we test theoretical stellar models that predict this mixing, then apply these models to derive birth C, N, and O abundances for these stars. Our models with standard mixing can reproduce the observed trends to within plausible uncertainties in the birth abundances. Some models with ''extra'' mixing processes fail, predicting trends with surface gravity or evolutionary state that are not observed. Applying mixing corrections to the APOGEE abundances removes the observed age-dependence of log(N/O) and log(C/N), but it leaves trends of log(N/O) and log(C/N) with metallicity, as expected based on nucleosynthesis models. The stellar N/O trend agrees well with Dopita et al.'s calibration of gas phase log(N/O) with metallicity, and with gas phase trends in the MaNGA integral field survey of nearby galaxies. We also find a substantial separation in birth [N/Mg] ratios between high-[$α$/Fe] (''thick disc'') stars and low-[$α$/Fe] (''thin disc'') stars. We find a smaller but still clear separation for [C/Mg]. The trends of birth C and N abundances with [Fe/H] and [$α$/Fe] could affect spectroscopic age estimates for red giants that rely on the observed C/N ratio as a diagnostic of stellar mass.

연구 동기 및 목표

• 적색거탑에 대한 관측된 APOGEE 및 Kepler 데이터와 이론적 CNO 표류상승 모델을 비교 검증한다.
• 별의 진화 동안 내부 혼합 과정을 보정하여 C, N, O의 탄생 농도를 유도한다.
• 금속성 및 [α/Fe]에 따라 N/O 및 C/N 비율의 은하화학적 진화 경향을 조사한다.
• 혼합 보정이 C/N 비율에 기반한 스펙트로스코픽 연령 추정에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.
• 유도된 경향을 근접한 은하의 기체상 측정치 및 천체역학 시뮬레이션(Vincenzo & Kobayashi 2018)과 비교한다.

제안 방법

• 약 5,100개의 적색거탑에 대해 APOGEE 스펙트로스코픽 농도(C, N, O, Fe, α원소)와 Kepler의 항성진동 질량을 통합한다.
• 표준 및 강화된 혼합을 고려한 MESA 별진화 모델을 사용하여 적색거탑 가지에서 표면 농도 변화를 시뮬레이션한다.
• 첫 번째 표류상승과 추가 혼합의 영향을 제거하여 탄생 농도를 추론하기 위해 혼합 보정을 적용한다.
• 표면 중력도, 금속성([Fe/H]), [α/Fe]에 따라 log(N/O) 및 log(C/N)의 경향을 추적하여 모델 예측을 검증한다.
• 보정된 농도 경향을 MaNGA의 기체상 측정치 및 천체역학 시뮬레이션(Vincenzo & Kobayashi 2018)과 비교한다.
• 모델 예측이 관측된 연령 의존 경향 및 보정 불확도와 일관된지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 별진화 모델(첫 번째 표류상승 포함)은 적색거대에서 관측된 N/O 및 C/N 경향을 충분한 불확도 범위 내에서 정확히 재현하는가?
• RQ2 추가 혼합 과정(예: 열염류 또는 부분대류)을 포함한 모델은 연령 또는 중력도 의존 경향을 과도하게 예측하는가?
• RQ3 C, N, O의 혼합 보정 탄생 농도는 은하수 디스크에서 금속성과 [α/Fe]와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 보정된 C/N 및 N/O 경향은 근접한 은하의 기체상 측정치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 고-[α/Fe] 및 저-[α/Fe] 인구 간의 관측된 [N/Mg] 및 [C/Mg] 차이는 핵합성 수확량과 화학진화에 대해 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 첫 번째 표류상승를 포함한 표준 MESA 모델은 탄생 농도의 합리적인 불확도 범위 내에서 관측된 N/O 및 C/N 경향을 재현한다.
• 추가 혼합을 포함한 모델은 관측되지 않는 표면 중력도 또는 진화 상태 의존 경향을 예측하여 데이터와 일치하지 않음을 시사한다.
• 혼합 보정된 log(N/O) 및 log(C/N)는 연령 의존성이 없지만 강한 금속성 경향을 유지하며, 핵합성 모델과 일치한다.
• 보정된 N/O 경향은 Dopita 등(2016)의 기체상 보정 및 MaNGA의 근접 은하 관측과 잘 일치한다.
• 고-[α/Fe] (두꺼운 디스크) 및 저-[α/Fe] (얇은 디스크) 별 간에 탄생 [N/Mg] 및 [C/Mg] 비율에 명백한 분리가 발견된다.
• 탄생 C 및 N 농도의 [Fe/H] 경향은 금속성 의존적 N 수확량을 시사하며, AGB 별의 시간 지연 기여를 지지한다.