[논문 리뷰] Population synthesis to constrain Galactic and Stellar Physics- I- Determining age and mass of thin-disc red-giant stars

N. Lagarde, A. C. Robin외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 63인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 혼합을 포함한 최신 STAREVOL 코드 기반의 별 진화 궤적을 사용하여 얇은 디스크 적색거탑 성단의 별에서 표면 [C/N] 농도 비율을 통해 정확한 연령과 질량 추정이 가능한 새로운 인구 합성 모델을 제시한다. 주요 기여는 [C/N]과 별의 질량 및 연령 간의 금속성에 따라 달라지는 경험적 관계를 유도한 것으로, 항성세라믹학적 및 분광학적 데이터와의 검증을 통해 내부 혼합 과정을 고려할 경우 연령 추정 정확도가 크게 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

The cornerstone mission Gaia, together with complementary surveys, will revolutionize our understanding of the formation and history of our Galaxy, providing accurate stellar masses, radii, ages, distances, as well as chemical properties for a very large sample of stars across different Galactic stellar populations.Using an improved population synthesis approach and new stellar evolution models we attempt to evaluate the possibility of deriving ages and masses of clump stars from their chemical properties.A new version of the Besancon Galaxy model (BGM) uses new stellar evolutionary tracks computed with STAREVOL.These provide chemical and seismic properties from the PMS to the early-AGB.For the first time, the BGM can explore the effects of an extra-mixing occurring in red-giant stars.In particular we focus on the effects of thermohaline instability on chemical properties as well as on the determination of stellar ages and masses using the surface [C/N] abundance ratio.The impact of extra-mixing on 3He, 12C/13C, N, and [C/N] abundances along the giant branch is quantified.We underline the crucial contribution of asteroseismology to discriminate between evolutionary states of field giants belonging to the Galactic disc.The inclusion of thermohaline instability has a significant impact on 12C/13C,3He as well as on the [C/N] values.We show the efficiency of thermohaline mixing at different metallicities and its influence on the determined stellar mass and age from the observed [C/N] ratio.We then propose simple relations to determine ages and masses from chemical abundances according to these models.We emphasize the usefulness of population synthesis tools to test stellar models and transport processes inside stars.We show that transport processes occurring in red-giant stars should be taken into account in the determination of ages for future Galactic archaeology studies.(abridged)

연구 동기 및 목표

• 화학 농도 비율을 이용하여 얇은 디스크 적색거성의 연령 및 질량 추정을 향상시키기 위해.
• 적색거점 가지에서의 열역학적 불안정성이 표면 농도(예: [C/N], 12C/13C, 3He)에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 은하 고고학에 활용하기 위해 [C/N]과 별의 질량/연령 간의 금속성에 따라 달라지는 경험적 관계를 개발하기 위해.
• 항성세라믹학이 현장 거대성의 진화 상태를 구분하는 데 기여하는지를 검증하기 위해.
• 선택 편향과 인구의 내재된 산란을 고려하여 표면 화학적 성질을 이용한 별의 연령 추정을 校정하기 위해.

제안 방법

• 예비 주계열에서 조기-AGB까지의 STAREVOL 별 진화 궤적을 포함한 새로운 버전의 Besançon Galaxy Model(BGM)이 사용된다.
• 별 진화 모델은 질량 0.6에서 6.0 M⊙ 사이 및 다섯 가지 금속성(Z = 0.0001에서 0.04)에 대해 열역학적 혼합 영향을 포함한다.
• 각 진화 궤적에 대해 전체적, 화학적(54종의 동위원소 및 이종), 그리고 진동 성질(Δν, νmax, ΔΠℓ=1)을 계산한다.
• 가짜 별 목록을 생성하고 Gaia, CoRoT, Kepler, K2, APOGEE의 관측 데이터와 비교하여 모델 물리학을 제약한다.
• 금속성 별로 나누어진 범위에서 통계적 피팅을 통해 [C/N]과 질량/연령 간의 관계를 유도하며, 인구의 산란과 선택 효과를 고려한다.
• 예측된 [C/N] 분포를 관측 데이터와 비교하여 모델을 검증하며, 특히 [Fe/H] 별로 나누어진 클럽 별에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학적 혼합은 다양한 금속성에서 적색거성의 표면 농도(예: [C/N], 12C/13C, 3He)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 [C/N] 농도 비율은 클럽 별의 질량과 연령을 신뢰성 있게 추정하는 데 사용될 수 있으며, 이는 금속성에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 항성세라믹학은 현장 적색거성의 진화 단계를 분리하는 데 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 선택 효과와 인구의 내재된 산란은 [C/N]-기반 연령 및 질량 추정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 열역학적 혼합을 포함할 경우 은하 고고학 연구에서 연령 추정의 정확도는 어떤 영향을 받는가?

주요 결과

• 열역학적 혼합은 특히 복합점 이후에 적색거성의 표면 12C/13C, [C/N], 3He 농도에 상당한 영향을 미치며, 모든 금속성에서 측정 가능한 영향을 보인다.
• 클럽 별에서는 [C/N] 비율이 열역학적 혼합으로 인해 상부 적색거점 가지 별에서 강한 산란을 보이지만, 클럽 별에서는 안정화되어 신뢰할 수 있는 연령 및 질량 추정이 가능하다.
• 클럽 별의 경우 금속성에 따라 달라지는 관계식이 도출되었으며, -0.20 ≤ [Fe/H] ≤ -0.10 범위에서는 질량 = 15.66·[C/N]² + 11.27·[C/N] + 2.887 이며, 다른 금속성 범위에도 유사한 식이 존재한다.
• 연령은 log(Age[yr]) = 1.932·[C/N]² + 7.904·[C/N] + 13.27 (−0.20 ≤ [Fe/H] ≤ −0.10 범위)로 추정되며, 다른 금속성 범위에는 별도의 계수를 가진 식이 존재한다.
• 열역학적 혼합을 포함함으로써 연령 및 질량 추정의 체계적 오차가 감소하여 항성세라믹학적 데이터와의 일관성이 향상된다.
• 모델은 항성세라믹학이 진화 단계를 구분하는 데 필수적임을 보여주며, 특히 [C/N]이 덜 신뢰할 수 있는 상부 RGB 별과 클럽 별을 분리하는 데 유의미한 기여를 한다.