[논문 리뷰] Heavy elements and chemical enrichment in globular clusters

G. James, P. François외 4명|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 71인용 수 61

한 줄 요약

이 연구는 금속성도가 다양한 세 개의 구형성운(NGC 6397, NGC 6752, 47 Tuc)에서 진화가 거의 일어나지 않은 주계열 전환점 및 주거성우성의 중성자捕속 원소(Sr, Y, Ba, Eu)에 대한 최초의 고해상도 농도 측정을 제시한다. VLT/UVES 데이터를 사용하여 경량 원소의 비정상성과 중량 원소의 농도 간 상관관계가 없음을 발견하였으며, 고전적 자가풍부화 시나리오를 기각하고, 구형성운이 은하형 할로 스타와 유사하게 r- 및 s-과정을 통해 균일하게 풍부화되었음을 시사한다.

ABSTRACT

High resolution (R > 40 000) and high S/N spectra have been acquired with UVES on the VLT-Kueyen (Paranal Observatory, ESO Chile) for several main sequence turnoff stars (V ~ 17 mag) and subgiants at the base of the Red Giant Branch (V ~ 16 mag) in three globular clusters (NGC 6397, NGC 6752 and 47 Tuc/NGC 104) at different metallicities (respectively [Fe/H] = -2.0; -1.5; -0.7$). Spectra for a sample of 25 field halo subdwarves have also been taken with equal resolution, but higher S/N. These data have been used to determine the abundances of several neutron-capture elements in these three clusters: strontium, yttrium, barium and europium. This is the first abundance determination of these heavy elements for such unevolved stars in these three globular clusters. These values, together with the [Ba/Eu] and [Sr/Ba] abundance ratios, have been used to test the self-enrichment scenario. A comparison is done with field halo stars and other well known Galactic globular clusters in which heavy elements have already been measured in the past, at least in bright giants (V > 11-12 mag). Our results show clearly that globular clusters have been uniformly enriched by r- and s-process syntheses, and that most of them seem to follow exactly the same abundance patterns as field halo stars, which discards the ``classical'' self-enrichment scenario for the origin of metallicities and heavy elements in globular clusters.

연구 동기 및 목표

• 구형성운의 진화가 거의 일어나지 않은 별(전환점 및 주거성우성)에서 중성자捕속 원소 농도를 측정하여 자가풍부화 시나리오를 검증한다.
• 다양한 금속성도에서 구형성운과 은하형 할로 스타의 중량 원소 농도 패턴을 비교한다.
• 관측된 경량 원소 비정상성(O-Na, Mg-Al)이 같은 별들에서 s- 및 r-과정 원소 농도와 상관관계가 있는지 조사한다.
• 고전적 자가풍부화 모델이 구형성운의 화학적 진화를 설명하는 데 타당한지 평가한다.
• 구형성운이 내부 과정에 의해 자가오염되는 것이 아니라, 이미 금속으로 풍부화된 물질에서 형성되었거나 사전에 풍부화되었는지 평가한다.

제안 방법

• VLT-Kueyen 망원경에 장착된 UVES 장비를 사용한 고해상도(R > 40,000) 및 고신호대비비(S/N) 스펙트로스코피.
• 금속성도 [Fe/H] ≈ −2.0, −1.5, 및 −0.7인 세 개의 구형성운에서 전환점 및 주거성우성 별 25개와 현장 할로 주하나별 25개를 관측.
• 등가폭 및 합성 기법을 사용한 스펙트럼 분석을 통해 Sr, Y, Ba, Eu의 농도를 유도.
• 다른 진화 단계와 구형성운 및 현장 별 간의 [Ba/Eu] 및 [Sr/Ba] 농도 비율 비교.
• 적절한 경우 비-LTE 보정을 사용하여 선형형상 피팅의 정확도를 향상.
• 현장 할로 스타와의 교차교정을 통해 다양한 별집단 간 농도 패턴의 일관성을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구형성운의 전환점 별과 주거성우성 별 간에 중성자捕속 원소 농도(Sr, Y, Ba, Eu)가 체계적으로 변화하는가?
• RQ2 경량 원소 비정상성(예: O-Na 반대관계)과 구형성운의 진화가 거의 일어나지 않은 별들에서 s- 및 r-과정 원소 농도 간 상관관계가 있는가?
• RQ3 유사한 금속성도에서 구형성운의 [Ba/Eu] 및 [Sr/Ba] 농도 비율이 현장 할로 스타와 일치하는가?
• RQ4 고전적 자가풍부화 시나리오(예: AGB 별이 클러스터를 오염)는 관측된 균일한 중량 원소 농도를 설명할 수 있는가?
• RQ5 전환점 별과 주거성우성 별 간 [Ba/Fe] 비율의 산란은 실제인가, 또는 체계적 오차의 결과인가?

주요 결과

• 구형성운의 진화가 거의 일어나지 않은 별들에서 중성자捕속 원소 농도와 경량 원소 비정상성(예: O-Na) 간에 유의미한 상관관계나 반대관계를 관측하지 못했다.
• 동일한 클러스터 내에서 다른 진화 단계(전환점 및 주거성우성) 간에 s-과정 원소(Ba, Sr) 및 r-과정 원소(Eu)의 농도가 균일하게 유지되며, 단계별로 풍부화가 일어나지 않음을 시사한다.
• 유사한 금속성도에서 구형성운의 [Ba/Eu] 및 [Sr/Ba] 농도 비율이 현장 할로 스타와 일치하며, 공통된 화학적 풍부화 역사를 지지한다.
• 구형성운에서 관측된 중성자捕속 원소의 농도 패턴은 내부 자가오염이 아닌 균일한 외부 풍부화 과정에 의해 가장 잘 설명된다.
• 고전적 자가풍부화 시나리오(AGB 별이 s-과정 원소를 생성하고 클러스터를 오염)는 데이터를 설명할 수 없으며, 이는 경량 원소 비정상성과 s-과정 농도 간에 검출 가능한 상관관계를 가져야 하는 데, 이러한 상관관계가 관측되지 않기 때문이다.
• 전환점 별과 주거성우성 별 간 [Ba/Fe] 비율의 작은 산란이 실제일 경우, 성장하는 대류권에서의 희석 예측과 모순되며, 자가오염 가설을 더욱 약화시킨다.