[논문 리뷰] Na-O Anticorrelation and HB. VII. The chemical composition of first and second-generation stars in 15 globular clusters from GIRAFFE spectra

E. Carretta, A. Bragaglia외 13명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2009. 09. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 60인용 수 492

한 줄 요약

이 연구는 15개의 구형별집단에 걸쳐 1,409개의 적색거성에서 Fe, Na, O 농도를 동질적으로 분석하여, 세 가지 별 집단(초기형(P), 중간형(I), 극단형(E))을 정의하는 이중성 Na-O 역상관관계를 규명하였다. 주요 발견은 Na-O 역상관관계의 기울기가 별집단의 금속성과 밝기(질량의 지표)에 따라 변동하며, 이는 오염을 일으킨 별의 평균 질량과 별집단 질량 간의 상관관계를 시사한다. 특히 극단형(E) 집단은 질량이 큰 별집단에서 더 두드러지게 나타난다.

ABSTRACT

We present abundances of Fe, Na, and O for 1409 red giant stars in 15 galactic globular clusters, derived from the homogeneous analysis of high resolution FLAMES/GIRAFFE spectra. Combining the present data with previous results, we obtained a total sample of 1958 stars in 19 clusters, the largest and most homogeneous database of this kind to date. Our GCs have [Fe/H] from -2.4 to -0.4, with a wide variety of global parameters (morphology of the horizontal branch, mass, concentration, etc). For all clusters we find the Na-O anticorrelation, the classical signature of proton-capture reactions in H-burning at high temperature in a previous generation of more massive stars, now extinct. Using quantitative criteria (from the morphology and extension of the Na-O anticorrelation), we can define 3 components of the stellar population in GCs: a primordial component (P) of first-generation stars, and 2 components of second-generation stars (intermediate I and extreme E populations from their different chemical composition). The P component is present in all GCs, and its fraction is almost constant at about one third. The I component represents the bulk of the cluster population. The E component is not present in all GCs, and it is more conspicuous in some (but not in all) of the most massive ones. We discuss the fractions and spatial distributions of these components in our sample and in two additional clusters (M3 and M13) from the literature. We also find that the slope of the anti-correlation (defined by the minimum O and maximum Na abundances) changes from cluster-to-cluster, a change that is represented well by a bilinear relation on cluster metallicity and luminosity. This second dependence suggests a correlation between average mass of polluters and cluster mass.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 분광법을 사용하여 구형별집단 내 제1세대 및 제2세대 별의 화학 조성을 규명하기 위해.
• 별집단 별의 경량 원소(Na, O, C, N) 농도 변동에 관한 오랫동안 해결되지 않은 난제를 해결하기 위해.
• 다양한 샘플의 별집단에서 초기형(P), 중간형(I), 극단형(E) 집단의 상대적 비율을 정량화하기 위해.
• Na-O 역상관관계 기울기가 별집단의 금속성과 밝기(질량의 지표)에 따라 어떻게 변하는지 조사하기 위해.
• 관측된 농도 패턴을 오염을 일으킨 AGB 별의 예측과 비교하여 핵합성 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 1,409개의 적색거성에서 Fe, Na, O 농도를 고해상도 FLAMES/GIRAFFE 분광법을 사용하여 측정하였다.
• 모든 별집단에 걸쳐 일관성을 확보하기 위해 동질적인 분광 분석 파이프라인을 사용하여 농도를 유도하였다.
• Na-O 역상관관계의 기울기를 정량화하기 위해 최소 [O/Fe] 및 최대 [Na/Fe] 값을 사용하였다.
• 기울기를 별집단의 금속성 [Fe/H]과 절대 V-대역 등급(별집단 질량의 지표)과 연관시켜 오염 별의 질량을 추론하였다.
• 희석 시퀀스를 사용하여 원래의(오염되지 않은) O 및 Na 농도를 추론하였으며, 이는 핵합성 모델과의 비교를 가능하게 하였다.
• Strömgren 광도 측정을 통해 질소 농도 변화와 그 색-등급도에 미치는 영향을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 금속성과 질량을 가진 별집단에서 초기형(P), 중간형(I), 극단형(E) 별 집단의 상대적 비율은 어떻게 되는가?
• RQ2 다양한 구형별집단에서 Na-O 역상관관계 기울기는 어떻게 변화하며, 이는 오염 별의 질량에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ3 극단형(E) 집단은 모든 질량이 큰 별집단에 존재하는가, 아니면 질량 이외의 다른 별집단 매개변수에 따라 존재 여부가 달라지는가?
• RQ4 P, I, E 집단의 공간 분포는 어떻게 다를 수 있으며, 이는 별집단의 형성과 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 Na-O 역상관관계 패턴은 질량이 큰 AGB 별의 핵합성 예측과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 초기형(P) 집단은 항성의 화학 조성이 항성계에 가까운 것으로 정의되며, 연구된 19개의 별집단 전부에 존재하며 총 별 인구의 약 1/3을 차지한다.
• 중간형(I) 집단은 별집단 인구의 대부분을 차지하며, 많은 별집단에서 관측된 별의 60–70%를 차지한다.
• 극단형(E) 집단은 모든 별집단에 존재하는 것은 아니며, 질량이 큰 별집단에서 더 두드러지게 나타나지만, 47 Tuc과 M15와 같은 질량이 큰 시스템에서도 반드시 존재하는 것은 아니다.
• Na-O 역상관관계 기울기는 별집단의 금속성과 절대 V-대역 등급 모두와 상관관계를 보이며, 이는 별집단 질량에 대한 체계적인 의존성을 시사한다.
• 관측된 역상관관계 기울기는 질량이 큰 AGB 별의 핵합성 예측과 정성적으로는 일치하지만, 정량적으로는 일치하지 않으며, 이는 오염 별의 평균 질량이 총 별집단 질량과 반비례함을 시사한다.
• NGC 6752에서는 P 별은 질소 농도가 낮고 색-등급도에서 날카로운 blue sequence를 이루며, I 별(N 농도가 높은 별)은 혼합된 조성으로 인해 더 넓은 분포를 보인다.