[논문 리뷰] The Gaia-ESO Survey: Sodium and aluminium abundances in giants and dwarfs - Implications for stellar and Galactic chemical evolution

R. Smiljanić, D. Romano외 41명|Edinburgh Research Explorer (University of Edinburgh)|2016. 02. 10.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 128인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 가시성 주변의 600여 개가 넘는 태양계 주변의 난쟁이 별과 저-중량 별의 나트륨과 알루미늄 농도를 가시성 태양계 조사의 고해상도 UVES 스펙트럼을 사용하여 분석한다. 연구에서는 2.0 M⊙ 이상의 별에서 나트륨 농도가 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 항성 진화 모델과 일치한다. 반면 알루미늄은 3.0 M⊙ 이하에서는 일정하게 유지되며, 관측된 [Na/Fe]와 [Al/Fe] 경향과 화학적 진화 모델 간의 불일치는 여전히 존재한다. 이는 늦은 시기의 나트륨 생성 부위가 누락되어 있고, 알루미늄 핵합성 이해가 완전하지 않다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Stellar evolution models predict that internal mixing should cause some sodium overabundance at the surface of red giants more massive than ~ 1.5--2.0 Msun. The surface aluminium abundance should not be affected. Nevertheless, observational results disagree about the presence and/or the degree of the Na and Al overabundances. In addition, Galactic chemical evolution models adopting different stellar yields lead to quite different predictions for the behavior of [Na/Fe] and [Al/Fe] versus [Fe/H]. Overall, the observed trends of these abundances with metallicity are not well reproduced. We readdress both issues, using new Na and Al abundances determined within the Gaia-ESO Survey, using two samples: i) more than 600 dwarfs of the solar neighborhood and of open clusters and ii) low- and intermediate-mass clump giants in six open clusters. Abundances of Na in giants with mass below ~2.0 Msun, and of Al in giants below ~3.0 Msun, seem to be unaffected by internal mixing processes. For more massive giants, the Na overabundance increases with stellar mass. This trend agrees well with predictions of stellar evolutionary models. Chemical evolution models that are able to fit well the observed [Na/Fe] vs. [Fe/H] trend in solar neighborhood dwarfs can not simultaneously explain the run of [Al/Fe] with [Fe/H], and viceversa. The comparison with stellar ages is hampered by severe uncertainties. Indeed, reliable age estimates are available for only a half of the stars of the sample. We conclude that Al is underproduced by the models, except for stellar ages younger than about 7 Gyr. In addition, some significant source of late Na production seems to be missing in the models. Either current Na and Al yields are affected by large uncertainties, and/or some important Galactic source(s) of these elements has not been taken into account up to now. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 다양한 질량과 금속성의 항성에서 나트륨과 알루미늄 농도에 대한 관측적 제약 조건을 향상시켜 항성 진화 및 은하 화학 진화 모델을 시험한다.
• 현재의 은하 화학 진화 모델 예측과 관측된 [Na/Fe] 및 [Al/Fe] 경향 간의 불일치를 해결한다.
• 내부 혼합이 적색 거대 별과 난쟁이 별의 표면 나트륨 및 알루미늄 농도에 미치는 영향을 조사한다.
• 특히 대질량 항성에서의 항성 수확량이 은하 디스크에서 나트륨과 알루미늄의 화학 진화에 미치는 영향을 평가한다.
• 환경적 요인이나 누락된 핵합성 부위가 알루미늄 농도 이상 현상(특히 NGC 6705와 같은 별단에서 관측됨)을 설명하는 데 기여하는지 규명한다.

제안 방법

• 가우아-에소 조사의 항성에서 고해상도 UVES 분광법을 사용하여 나트륨과 알루미늄 선 강도를 측정하였다.
• 나트륨 농도에는 비-LTE 보정을 적용하였으며, 대표적인 케이스에 대해 알루미늄 보정의 주요 정도를 추정하였다.
• 진화 궤적과 별단 소속 관계를 기반으로 항성 질량을 유추하여 이론 모델과 비교할 수 있도록 하였다.
• 금속성과 연령에 따른 농도 경향을 은하 디스크의 세밀한 화학 진화 모델과 비교하였다.
• 표본은 6개의 산개성단에서 유래한 600개 이상의 태양계 주변 난쟁이 별과 거대 별을 포함하여 질량 및 연령에 따른 분석이 가능하도록 하였다.
• 데이터는 유럽 남부 천문대 자료 보관소에서 확보되었으며, CASU 및 FLAMES/UVES 감도 처리 파이프라인을 통해 처리되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저-중량 별에서 내부 혼합이 적색 거대 별에서 측정 가능한 나트륨 과잉을 유도하는가? 이는 항성 진화 모델과 일치하는가?
• RQ2 3.0 M⊙ 이상의 질량에서 내부 혼합이 거대 별의 알루미늄 농도에 영향을 미치는가? 이는 항성 질량에 따라 달라지는가?
• RQ3 현재의 은하 화학 진화 모델이 왜 태양계 주변에서 관측된 [Na/Fe] 및 [Al/Fe] 경향을 [Fe/H]에 따라 재현하지 못하는가?
• RQ4 NGC 6705에서 관측된 알루미늄 과잉은 본질적인 항성 과정 때문인가, 초기 조건이나 성단 형성 환경과 같은 환경적 요인 때문인가?
• RQ5 고금속성에서 관측된 [Na/Fe] 증가 경향은 기존의 항성 수확량으로 설명될 수 있는가, 아니면 늦은 시기의 나트륨 생성원이 필요한가?

주요 결과

• 2.0 M⊙ 이상의 별에서 나트륨 과잉 농도가 증가하며, 내부 혼합을 포함한 항성 진화 모델의 예측과 양호한 일치를 보인다.
• 3.0 M⊙ 이하의 거대 별에서 알루미늄 농도는 일정하게 유지되며, 질량에 따른 농도 증가에 대한 설득력 있는 증거는 없다.
• 유일하게 알루미늄 농도가 높은 성단인 NGC 6705(수명 주기 질량 >3.0 M⊙)는 환경적 요인에 의해 특이한 화학 조성이 발생한 것으로 보이며, 내부 항성 과정 때문이 아니었다.
• 태양계 주변 난쟁이 별에서 관측된 [Na/Fe] 경향은 [Fe/H]에 따라 재현되나, 고금속성에서 설명되지 않는 상승 경향이 있어 모델에 늦은 시기의 나트륨 생성 부위가 누락되어 있음을 시사한다.
• 화학 진화 모델은 낮은 금속성에서 허브성 별의 알루미늄을 과잉 생산하고, [Fe/H] > -1.0에서 태양계 주변 난쟁이 별의 알루미늄을 과소 생산하며, 가장 젊은 별을 제외하고는 일관되게 그렇다.
• Na/Fe > 0.00을 가진 별의 신뢰할 수 있는 연령 결정이 부족하여, 농도-연령도의 활용이 제한되며, 이는 모델 검증을 복잡하게 한다.