[논문 리뷰] The first stages of the evolution of Globular Clusters

F. D’Antona, P. Ventura외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 12. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 구형별개성(GC)의 화학 이방성에 대한 점점 커지는 거대가지(AGB) 자기풍부화 모델을 검토하며, 초기 약 100 Myr 이내에 질량이 큰 AGB 별들이 CNO 처리된 물질로 은하단을 풍부화시켜 제2세대 별들이 이방성 농도를 가지게 된다고 제안한다. 주요 증거는 수평가지(HB) 형태이며, 특히 NGC 6441와 NGC 2808에서 헬륨 농도가 높은 인구(Y > 0.35)가 연장된 빨간 클러스터와 장주기 RR Lyrae 변수를 설명한다.

ABSTRACT

The majority of the inhomogeneities in the chemical composition of Globular Cluster (GC) stars appear due to primordial enrichment. The most studied model today claims that the ejecta of Asymptotic Giant Branch (AGB) stars of high mass -those evolving during the first ~100Myr of the Clusters life- directly form a second generation of stars with abundance anomalies. In this talk, we review the status of the art with regard to this model, whose major problems are i) the modelling of the chemical anomalies is still not fully complete, and ii) it requires an IMF peculiarly enhanced in the intermediate mass stars. The model predicts enhanced helium abundance in the stars showing chemical anomalies, and the helium abundance distribution can be roughly derived from the morphology of the horizontal branch. Such distribution may possibly help to falsify the model for the first phases of evolution of GCs. As an illustration, we compare the results of the analysis of the HB morphology of some clusters.

연구 동기 및 목표

• 구형별 별들의 화학 이방성에 대한 주요 메커니즘으로서 AGB 자기풍부화 모델을 평가하기 위해.
• 관측된 수평가지 별들의 헬륨 농도 분포가 AGB 모델을 반증하거나 지지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 47 Tuc과 같은 은하단에서 관측된 CN 농도 패턴과 헬륨 농도가 높은 별의 비율 간 괴리점을 해결하기 위해.
• 초기 질량 함수와 원시 은하단 질량의 변동성이 제1세대 별의 생존에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 금속 농도가 높은 GC에서 관측된 HB 형태를 일치시키기 위해 헬륨 농도가 높은 별 인구를 사용한 합성 수평가지(HB) 모델링.
• 관측된 HB 광도 함수(예: NGC 6441, NGC 6388, 47 Tuc)를 시뮬레이션 분포와 비교하여 헬륨 농도 분포를 추론하기 위해.
• 광학적 데이터와 합성 모델을 기반으로 한 헬륨 역사를 분석하여 Y > 0.25, Y > 0.33, Y > 0.35 인 별의 비율을 유도하기 위해.
• 주계열성, 주계열 이하 별 등 다양한 진화 단계의 별들에서 O/Fe, CNO, Na 등의 농도 이방성을 분석하여 핵합성 원천을 제약하기 위해.
• AGB 별 모델에 핫 바닥 연소(HBB)와 제3의 덜어내림 효과를 통합하여 외부 대류층의 조성을 예측하기 위해.
• 관측 제약 조건에 대해 빠른 회전이 있는 거대 별과 혼합 기상 시나리오 등 다른 모델을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구형별 별들의 관측된 화학 이방성은 질량이 큰 AGB 별의 자기풍부화로 설명될 수 있는가?
• RQ2 제2세대 별 형성에 필요한 AGB 물질 방출을 위해 필요한 초기 질량 함수(IMF)는 무엇인가?
• RQ3 수평가지 형태에서 유도된 헬륨 농도 분포가 AGB 자기풍부화 모델을 지지하는가?
• RQ4 왜 NGC 6441와 NGC 2808와 같은 일부 은하단에서 Y > 0.35 인 별의 비율이 뚜렷하게 높은가? 이는 관측된 HB 형태와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 47 Tuc에서 관측된 CN 강도가 높은 별과 낮은 별의 비율이 HB 모델링으로 유도된 헬륨 역사와 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• AGB 자기풍부화 모델은 화학적으로 이방성이 있는 별들에서 헬륨 농도가 높아지며, 헬륨 농도가 높은 인구(Y > 0.35)는 NGC 6441에서 약 14%, NGC 6388에서 약 20%에 이르는 것으로 예측된다.
• NGC 6441의 연장된 빨간 클러스터와 장주기 RR Lyrae 변수는 Y = 0.25에서 Y ≈ 0.27로의 헬륨 불연속성과 일치하는 AGB 풍부화에 의해 가장 잘 설명된다.
• NGC 6441의 관측된 HB 형태는 고광도 빨간 클러스터 별의 현저한 초과를 보이며, 고광도, 헬륨 농도가 높은 별의 인구가 있음을 시사한다.
• NGC 6441에서 Y > 0.35 인 별의 비율(14%)은 NGC 2808에서 Y ≈ 0.4 인 별의 비율(15%)과 유사하여 극한의 헬륨 풍부화의 공통 기원을 시사한다.
• 47 Tuc에서는 Y > 0.25 인 별의 비율이 25%에 불과하지만, CN 강도가 높은 별과 낮은 별의 비율이 근사적으로 동일하므로, 더 높은 초기 헬륨 농도 또는 다른 메커니즘이 필요하다는 것을 시사한다.
• 이 모델은 원시 구형별개성이 오늘날의 은하단보다 훨씬 더 무거웠을 가능성이 있으며, 제1세대 별의 상당한 손실이 있었음을 시사하여 IMF 이질성 문제를 해결한다.