[논문 리뷰] Lithium and sodium in the globular cluster M4. A Main Sequence star with Li compatible with the cosmological value: nature or nurture?

L. Monaco, S. Villanova외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 VLT/Giraffe 분광계를 사용하여 은하수구성성 M4의 주계열 및 준거주열 별 91개에서 리튬과 나트륨 농도를 조사한다. 연구에서는 얕은 리튬-나트륨 반비례 관계를 발견하였으며, 하나의 별(번호 37934)이 우주론적 초기 리튬 값과 일치하는 리튬 농도(A(Li) = 2.87)를 보이며, 이는 초기 리튬이 보존되었거나 이전 별 세대에 의해 생성된 결과일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Context. The abundance inhomogeneities of light elements observed in Globular Clusters (GCs), and notably the ubiquitous Na-O anti-correlation, are generally interpreted as evidence that GCs comprise several generations of stars. There is an on-going debate as to the nature of the stars which produce the inhomogeneous elements, and investigating the behavior of several elements is a way to shed new light on this problem. Aims. We aim at investigating the Li-Na anti-correlation in the GC M 4, which is known to have a well defined Na-O anti-correlation. Methods. We obtained moderate resolution (R=17 000-18 700) spectra for 91 main sequence (MS)/sub-giant branch stars of M 4 with the Giraffe spectrograph at the FLAMES/VLT ESO facility. Using model atmospheres analysis we measured lithium and sodium abundances. Results. We detect a well defined Li-Na anti-correlation among un-evolved MS stars, albeit with a shallow slope d(A(Li))/d(A(Na))' −0.2. One star in the sample, # 37934, shows the remarkably high lithium abundance A(Li)=2.87, in good agreement with current estimates of the primordial lithium abundance, and much higher than the Spite plateau. Conclusions. The shallow slope found for the Li-Na anti-correlation suggests that lithium is produced in parallel to sodium. The high lithium abundance of star # 37934 can be interpreted as preservation of the primordial lithium abundance, or as lithium produced by a previous generation of stars. The fact that the star is also sodium-rich favors the latter hypothesis, yet the former cannot be easily

연구 동기 및 목표

• 은하수구성성 M4에서 강한 나트륨-산소 반비례 관계로 알려진 지역에서 리튬-나트륨 농도 상관관계를 조사하기 위해.
• M4에서 관측된 리튬 비균일성이 나트륨과 산소 비균일성을 유도하는 동일한 과정과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 어느 별의 관측된 리튬 농도가 우주론적 초기 리튬 값과 일치하는지 평가하기 위해.
• 극도의 리튬 농도를 설명하는 데 있어 초기 리튬 보존과 현지에서의 리튬 생성 간의 차이를 구분하기 위해.

제안 방법

• VLT/FLAMES 시설에 장착된 Giraffe 분광계를 사용하여 M4의 주계열 및 준거주열 별 91개에서 중간 해상도(R ≈ 17,000–18,700) 스펙트럼을 확보하였다.
• 모의 대기 분석을 수행하여 관측 스펙트럼에서 리튬 및 나트륨 농도를 유도하였다.
• 측정된 리튬 및 나트륨 농도를 비교하여 리튬-나트륨 반비례 관계의 존재 및 기울기를 평가하였다.
• 개별 별의 리튬 농도를 우주론적 초기 리튬 농도(A(Li) ≈ 2.73)와 Spite 플랫폼(A(Li) ≈ 2.2)와 비교하였다.
• 농도 비율과 별의 운동학적 특성을 사용하여 별의 진화 상태와 오염 역사를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M4의 주계열 별에서 리튬과 나트륨 농도 간에 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 리튬-나트륨 반비례 관계의 기울기가 은하수구성성 자가오염 과정 중 리튬과 나트륨이 함께 생성됨을 시사하는가?
• RQ3 샘플 내 어느 별도 우주론적 초기 리튬 값과 일치하는 리튬 농도를 보일 수 있는가?
• RQ4 별 #37934에서 관측된 고리튬 농도는 초기 리튬 보존이 더 나은 설명인가, 아니면 이전 별 세대에 의해 현지에서 생성된 결과인가?
• RQ5 별 #37934가 나트륨 농도가 높은 성질을 지닌다는 사실이 그의 리튬 농도 해석에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• M4의 주계열 별들 사이에서 얕은 리튬-나트륨 반비례 관계가 확인되었으며, 기울기는 d(A(Li))/d(A(Na)) ≈ −0.2이다.
• 별 #37934는 A(Li) = 2.87의 리튬 농도를 보이며, 현재 추정하는 우주론적 초기 리튬 농도와 매우 잘 일치한다.
• 이 리튬 농도는 A(Li) ≈ 2.2인 Spite 플랫폼 값보다 뚜렷이 높아 비표준 기원을 시사한다.
• 별 #37934에서의 고리튬 농도는 초기 리튬 보존 또는 이전 별 세대에 의해 생성된 결과로 둘 다 일치한다.
• 별 #37934가 나트륨 농도가 높다는 사실은 현지에서 리튬 생성의 가정을 지지하지만, 초기 리튬 보존도 여전히 타당한 대안이다.
• 리튬-나트륨 반비례 관계의 기울기가 얕다는 것은 리튬 생성이 나트륨 생성과 병행하여 발생할 수 있으며, 별도의 메커니즘을 통해 발생하는 것이 아니라는 것을 시사한다.