[논문 리뷰] Helium Mixing in Globular Cluster Stars

A. V. Sweigart|arXiv (Cornell University)|1997. 08. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 구형성단 성별의 수소핵융합 층에서의 헬륨 혼합이 내부 회전에 의해 영향을 받으며, 수평가닥(HB) 형태와 적색거탑가지(RGB) 진화의 관측된 이질성을 설명한다. 모델은 헬륨 혼합이 RGB 단계에서 빛의 세기를 증가시키고, 질량 손실를 증가시켜 더 파란색이고 더 밝은 수평가닥을 만들어내며, 이는 나이의 차이를 묘사하는 데 비슷한 효과를 가지며, 유도된 성단 연령을 감소시키고, RR Lyrae 주기 이동과 밝기-금성도 관계에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The observed abundance variations in globular cluster red giants indicate that these stars may be mixing helium from the hydrogen shell outward into the envelope, presumably as a result of internal rotation. We have investigated the implications of such helium mixing for both the red- giant-branch (RGB) and horizontal-branch (HB) phases by computing a number of noncanonical evolutionary sequences for different assumed mixing depths and mass loss rates. We find that the helium-mixed models evolve to higher luminosities during the RGB phase and consequently lose more mass than their canonical counterparts. This enhanced mass loss together with the higher envelope helium abundances of the helium-mixed models produces a markedly bluer and somewhat brighter HB morphology. As a result, helium mixing can mimic age as a 2nd parameter and can reduce the ages of the metal-poor globular clusters derived from the luminosity difference between the HB and the main-sequence turnoff. Helium mixing might also lead to a larger RR Lyrae period shift and to a steeper slope for the RR Lyrae luminosity - metallicity relation if the mixing is more extensive at low metallicities, as suggested by the observed abundance variations. We discuss the implications of helium mixing for a number of other topics including the low gravities of the blue HB stars, the origin of the extreme HB stars, and the evolutionary status of the sdO stars. A variety of observational tests are presented to test this helium-mixing scenario.

연구 동기 및 목표

• 수소핵융합 층에서의 헬륨 혼합이 적색거탑가지(RGB) 및 수평가닥(HB) 단계에서 구형성단 성별의 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 나이의 차이가 필요 없이 관측된 더 파란색이고 더 밝은 수평가닥 형태를 설명할 수 있는지 여부를 판단하기 위해.
• 헬륨 혼합이 질량 손실률과 수평가닥의 밝기함수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 파란 수평가닥 성별의 낮은 표면중력도와 극한 수평가닥 성별의 기원에 대한 헬륨 혼합의 영향을 탐색하기 위해.
• RR Lyrae 주기 이동과 밝기-금성도 관계를 형성하는 데서 헬륨 혼합의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 가정된 혼합 깊이와 질량 손실율을 가진 구형성단 성별에 대한 비표준 진화 시퀀스를 계산하기 위해.
• 내부 회전에 의해 유도되는 혼합을 포함한 별진화 모델을 사용하여 수소핵융합 층에서의 헬륨을 외피로 운반하기 위해.
• 헬륨 혼합 모델과 표준 모델 간의 RGB 및 HB에서의 밝기와 색의 진화를 비교하기 위해.
• 외피의 헬륨 농도 증가와 강화된 질량 손실가 수평가닥 형태와 밝기 영향을 분석하기 위해.
• RR Lyrae 변수에 대한 영향을 모델링하기 위해, 주기 이동과 밝기-금성도 관계를 포함하기 위해.
• 헬륨 혼합과 나이의 차이 같은 다른 설명을 구별하기 위한 관측적 검증을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소핵융합 층에서의 헬륨 혼합이 구형성단에서 관측된 더 파란색이고 더 밝은 수평가닥 형태를 설명할 수 있는가?
• RQ2 헬륨 혼합은 적색거탑가지 단계에서 질량 손실률과 밝기 진화에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 헬륨 혼합은 RR Lyrae 성별의 주기 이동과 밝기-금성도 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 헬륨 혼합은 파란 수평가닥 성별에서 관측된 낮은 표면중력도를 설명할 수 있는가?
• RQ5 헬륨 혼합과 나이의 차이를 구별하기 위한 관측적 테스트는 무엇이 있는가?

주요 결과

• 헬륨 혼합 모델은 핵 에너지 생성 증가로 인해 RGB에서 더 높은 밝기로 진화하며, 이로 인해 질량 손실가 증가한다.
• 더 높은 외피 헬륨 농도와 증가된 질량 손실의 조합은 표준 모델보다 더 파란색이고 더 밝은 수평가닥 형태를 만들어낸다.
• 헬륨 혼합은 나이의 차이 효과를 묘사할 수 있으며, 따라서 수평가닥-주계열 전환점 밝기 차이를 사용할 때 금성도가 낮은 구형성단의 유도된 연령을 감소시킬 수 있다.
• 낮은 금성도에서 더 광범위한 헬륨 혼합은 더 큰 RR Lyrae 주기 이동과 더 급격한 기울기를 가진 RR Lyrae 밝기-금성도 관계를 초래할 수 있다.
• 이 시나리오는 파란 수평가닥 성별의 낮은 표면중력도와 극한 수평가닥 성별의 기원에 대해 설득력 있는 설명을 제공한다.
• 논문은 HB 형태, RR Lyrae 성질, 그리고 sdO 성별 진화와의 비교를 통해 헬륨 혼합 가설을 검증하거나 배제하기 위한 관측 테스트 세트를 제시한다.