[논문 리뷰] Metal-rich globular clusters in the galactic disk: new age determinations and the relation to halo clusters

M. Salaris, Achim Weiß|arXiv (Cornell University)|1998. 02. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 갈락틱 디스크의 세 개의 금속 농도가 높은 구형성단—47 Tuc, M71, NGC6352—에 대한 새로운 연령 측정치를 제시한다. $α$-강화된 별 모형을 업데이트하여 이들 성단이 약 9.2 Gyr의 나이를 지녔으며, 가장 오래된 디스크 백색왜성과 동시에 형성되었음을 확인하였다. 이 연구는 이러한 성단들이 태양과 유사한 헬륨 농도를 지녔으며, 높은 금속 농도에서 정확한 연령 및 거리 예측을 위해서는 $α$-강화된 등온선이 필수적임을 입증하였다. 이는 이전의 HIPPARCOS 기반 거리 측정치와의 불일치를 해결하였다.

ABSTRACT

New age determinations of the galactic disk globular clusters 47 Tuc, M71 and NGC6352 have been performed with our up-to-date alpha-enhanced stellar models. We find that all three clusters are about 9.2 Gyr old and therefore coeval with the oldest disk white dwarfs. Several arguments are presented which indicate that the initial helium content of the stars populating these clusters is close to the solar one. We also revisit a total of 28 halo clusters, for which we use an updated [Fe/H] scale. This new metallicity scale leads on average to an age reduction of around 0.8 Gyr relative to our previous results. We compare the predicted cluster distances, which result from our dating method, with the most recent distances based on HIPPARCOS parallaxes of local subdwarfs. We further demonstrate that for the most metal-rich clusters scaled-solar isochrones no longer can be used to replace alpha-enhanced ones at the same total metallicity. The implications of the presented age determinations are discussed in the context of the formation history of the Galaxy.

연구 동기 및 목표

• 개선된 별 진화 모형을 사용하여 갈락틱 디스크의 금속 농도가 높은 구형성단의 정밀한 연령을 결정하기.
• 이 디스크 성단의 초기 헬륨 농도를 평가하고 헬륨 성단과 비교하기.
• 업데이트된 [Fe/H] 금속 농도 척도를 사용하여 28개의 헬륨 성단의 연령을 재평가하기.
• 등온선 피팅을 통한 예측 거리가 HIPPARCOS 기반 파라렐렉스 데이터와 얼마나 신뢰할 수 있는지 검증하기.
• 동일한 총 금속 농도에서 스케일드-소울 등온선이 $α$-강화된 등온선을 대체할 수 있는지 검토하기.

제안 방법

• 최신 $α$-강화된 별 모형을 사용하였으며, 개선된 상태방정식(기본 OPAL EOS)과 투과도 처리를 적용하였다.
• 47 Tuc과 NGC6352에는 $Δ V$ 연령 지표(제로 아크트라인에서 주계열로의 등급 차이)를, 헬륨 브런치 인구가 열악한 M71에는 $Δ(B-V)$ 지표(주계열에서 적색거품 기준까지의 색상 차이)를 적용하였다.
• Carretta & Gratton (1997)의 재수정된 [Fe/H] 금속 농도 척도를 사용하여 28개의 헬륨 성단의 연령을 재계산하였다.
• 금속 농도가 높은 성단의 관측된 성분 패턴과 일치하는 $α$-강화된 중성소 혼합을 가진 등온선을 계산하였다.
• 지역의 초저온성단에 대해 등온선 피팅을 통한 예측 거리와 HIPPARCOS 기반 파라렐렉스 거리를 비교하였다.
• 고금속도에서 $α$-강화된 모형과 비교하여 스케일드-소울 등온선의 타당성을 평가하기 위해 색상과 진화 궤적을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 농도가 높은 디스크 구형성단은 가장 오래된 디스크 백색왜성과 동시에 형성되었는가? 이는 갈락틱 디스크의 형성 스케일 타임에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ2 금속 농도가 높은 디스크 구형성단의 초기 헬륨 농도는 얼마이며, 헬륨 성단과 어떻게 다를까?
• RQ3 업데이트된 [Fe/H] 금속 농도 척도는 이전 추정치와 비교해 헬륨 성단의 연령 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 동일한 총 금속 농도에서 스케일드-소울 등온선이 금속 농도가 높은 성단의 $α$-강화된 등온선을 정확하게 대체할 수 있는가?
• RQ5 등온선 기반 거리 예측은 근접한 초저온성단에 대해 HIPPARCOS 파라렐렉스 측정치와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 금속 농도가 높은 디스크 구형성단인 47 Tuc, M71, NGC6352는 모두 약 9.2 Gyr의 나이를 지녔으며, 가장 오래된 디스크 백색왜성과 동시에 형성되었음을 시사한다.
• 이 디스크 성단에서 태양과 유사한 初기 헬륨 농도가 강력한 증거로 지지되며, 유사한 금속 농도를 가진 헬륨 성단에서 일반적으로 추정되는 낮은 헬륨 농도와 대조된다.
• 업데이트된 [Fe/H] 척도는 이전 결과와 비교해 28개의 헬륨 성단 평균 연령을 약 0.8 Gyr 감소시켰다.
• Z > Z_{\odot}/10 인 금속 농도가 높은 성단에서는 $α$-강화된 등온선이 필수적이며, 동일한 총 금속 농도에서라도 스케일드-소울 등온선으로 대체할 수 없다.
• 등온선 피팅을 통한 예측 거리는 지역의 초저온성단에 대해 HIPPARCOS 기반 거리와 밀도 있게 일치하여, 이 방법의 신뢰성을 검증하였다.
• 연령-은핵거리 관계에서 10 kpc 이내에서 약 2.5 Gyr의 연령 분포가 관측되었으며(이상치 제외), 디스크 성단은 이 범위의 하한부에 위치하여 내부 헬륨 성단보다 후에 형성된 것으로 일관된다.