[논문 리뷰] Na-O Anticorrelation and HB. IV. Detection of He-rich and He-poor stellar populations in the globular cluster NGC 6218

E. Carretta, A. Bragaglia외 10명|ArXiv.org|2007. 01. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 42인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 은하수 6218의 79개 적색 거성에 대해 고해상도 FLAMES/Giraffe 분광법을 사용하여 나트륨과 산소 농도의 이중성 분포를 탐지하여 헬륨 농도가 다른 두 개의 별 집단이 존재함을 밝혀냈다. 헬륨 농도가 높은 별과 낮은 별의 적색거성 브랜치 복귀점 밝기의 첫 번째 직접 분광학적 증거를 확보하여 이론적 예측을 확인하고 화학적 비정상성과 초기 은하단 형성 과정을 연결지었다.

ABSTRACT

We used the multifiber spectrograph FLAMES on the ESO Very Large Telescope UT2 to derive atmospheric parameters, metallicities and abundances of O and Na for 79 red giant stars in the Galactic globular cluster NGC 6218 (M 12). We analyzed stars in the magnitude range from about 1 mag below the bump to the tip of the Red Giant Branch. The average metallicity we derive is [Fe/H]=-1.31+/-0.004+/-0.028 dex (random and systematic errors, respectively), with a very small star-to-star scatter (rms=0.033 dex), from moderately high-resolution Giraffe spectra. This is the first extensive spectroscopic abundance analysis in this cluster. Our results indicate that NGC 6218 is very homogeneous as far as heavy elements are concerned. On the other hand, light elements involved in the well known proton-capture reactions of H-burning at high temperature, such as O and Na, show large variations, anticorrelated with each other, at all luminosities along the red giant branch. The conclusion is that the Na-O anticorrelation must be established in early times at the cluster formation. We interpret the variation of Na found near the RGB-bump as the effect of two distinct populations having different bump luminosities, as predicted for different He content. To our knowledge, NGC 6218 is the first GC where such a signature has been spectroscopically detected, when combined with consistent and homogeneous data obtained for NGC 6752 to gain in statistical significance.

연구 동기 및 목표

• 글로벌 은하단 NGC 6218에서 헬륨 농도가 다른 여러 별 집단의 존재를 조사하기 위해.
• 적색거성에서 관측된 Na-O 반대관계가 서로 다른 초기 헬륨 농도를 가진 별 세대를 반영하는지 확인하기 위해.
• 이론적 모델이 예측한 바와 같이, 초기 헬륨 농도에 따라 적색거성 브랜치 복귀점의 밝기가 달라지는지 시험하기 위해.
• 화학적 비정상성의 정도와 은하단의 궤도 매개변수 간의 관계를 평가하기 위해.
• 적색수평가지 형태를 보이는 은하단에서 Na와 O의 강력하고 균일한 농도 분석을 제공하기 위해.

제안 방법

• ESO 초거대망원경의 FLAMES 장치를 사용한 고해상도 다중섬유 분광법을 통해 근방 속도와 대기 파rameter를 확보하기 위해.
• GIRAFFE 분광도를 분석하여 NGC 6218의 79개 적색거성에서 [Fe/H], [O/Fe], [Na/Fe] 농도를 유도하기 위해.
• 광도계 데이터를 활용하여 별 대기 파rameter 보정을 위한 유효 온도와 표면중력도를 결정하기 위해.
• 적색거성 브랜치 복귀점 위와 아래의 별에서 농도 분포를 비교하여 밝기 의존적 화학적 차이를 탐지하기 위해.
• NGC 6218의 데이터를 NGC 6752의 데이터와 조합하여 복귀점 밝기 차이를 검출하는 데 통계적 유의성을 높이기 위해.
• Na-O 반대관계와 궤도 매개변수 간의 상관관계를 통계적으로 분석하여 은하단 형성 역사를 추론하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 6218의 Na-O 반대관계는 초기 헬륨 농도가 다른 두 개의 별 집단이 존재함을 시사하는가?
• RQ2 높은 헬륨 농도와 낮은 헬륨 농도를 가진 별의 적색거성 브랜치 복귀점 밝기가 체계적으로 다를까?
• RQ3 NGC 6218에서 관측된 농도 분포는 초기 헬륨 농도가 다른 두 집단 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ4 NGC 6218의 Na-O 반대관계 정도는 궤도 매개변수가 다른 다른 은하단과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 복귀점 밝기에서 관측된 계단형 특징이 헬륨 농도가 높고 낮은 별에 대한 이론적 예측과 일치하는가?

주요 결과

• NGC 6218의 평균 중금속 농도는 [Fe/H] = -1.31 ± 0.004 ± 0.028 dex이며, 별 간 산란이 매우 작다 (rms = 0.033 dex), 중금속에서의 화학적 균일성을 시사한다.
• Na-O 반대관계는 적색거성 브랜치 전 구간에서 명확하게 관측되며, O가 적고 Na가 많은 별과 O가 많고 Na가 적은 별이 거의 균형을 이루고 있다.
• 복귀점보다 밝은 별들은 복귀점보다 어두운 별들보다 체계적으로 더 높은 [Na/Fe]와 낮은 [O/Fe]를 보이며, 밝기에 따라 농도 패턴이 변화함을 나타낸다.
• 복귀점 밝기에서 [Na/Fe]와 [O/Fe] 분포에 뚜렷한 계단형 특징이 확인되어, 헬륨 농도가 높고 낮은 별의 복귀점 밝기가 다름을 처음으로 분광학적으로 증명하였다.
• NGC 6752의 데이터와 결합한 결과, 관측된 복귀점 밝기 차이가 통계적으로 유의미하여, 초기 헬륨 농도가 다른 두 개의 별 집단이 존재함을 확인하였다.
• NGC 6218는 궤도 매개변수와 화학적 비정상성 정도 사이의 상관관계를 따르며, 궤도 기울기가 크고 주기가 긴 은하단은 더 넓은 범위의 화학적 비정상성을 유지하는 경향이 있는데, 이는 형성 시 기체를 더 잘 보존했기 때문일 가능성이 높다.