[논문 리뷰] Atomic Diffusion and Mixing in Old Stars V: A deeper look into the Globular Cluster NGC 6752

Pieter Gruyters, Thomas Nordlander외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 48인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 194颗의 별에 대해 유파이브비 스트로마르프 광도계수와 VLT/FLAMES-GIRAFFE 분광계를 병합하여 금속량이 적은 구형개성단 NGC 6752의 진화 시퀀스에서 원자 확산과 추가 혼합을 조사한다. 주성간지점에서 적색거성기저까지의 주성간지점에서 Ca, Ti, Fe에 대해 약 0.1 dex 정도의 약한 체계적인 농도 경향이 관측되며, 이는 원자 확산과 효율적인 추가 혼합을 포함하는 항성 모델에 의해 가장 잘 설명된다. 초기 리튬 농도는 log ε(Li) = 2.53 ± 0.10으로 계산되며, 이는 초기 우주의 핵합성 이론 예측과 일치한다.

ABSTRACT

Abundance trends in heavier elements with evolutionary phase have been shown to exist in the globular cluster NGC 6752 [Fe/H]=-1.6. These trends are a result of atomic diffusion and additional (non-convective) mixing. Studying such trends can provide us with important constraints on the extent to which diffusion modifies the internal structure and surface abundances of solar-type, metal-poor stars. Taking advantage of a larger data sample, we investigate the reality and the size of these abundance trends and address questions and potential biases associated with the various stellar populations that make up NGC6752. Based on uvby Strömgren photometry, we are able to separate three stellar populations in NGC 6752 along the evolutionary sequence from the base of the red giant branch down to the turnoff point. We find weak systematic abundance trends with evolutionary phase for Ca, Ti, and Fe which are best explained by stellar-structure models including atomic diffusion with efficient additional mixing. We derive a new value for the initial lithium abundance of NGC 6752 after correcting for the effect of atomic diffusion and additional mixing which falls slightly below the predicted standard BBN value. We find three stellar populations by combining photometric and spectroscopic data of 194 stars in the globular cluster NGC 6752. Abundance trends for groups of elements, differently affected by atomic diffusion and additional mixing, are identified. Although the statistical significance of the individual trends is weak, they all support the notion that atomic diffusion is operational along the evolutionary sequence of NGC 6752.

연구 동기 및 목표

• 금속량이 적은 구형개성단 NGC 6752에서 진화 단계에 따른 농도 경향의 실재성과 크기를 조사하기 위해.
• 태양형 별 표면 농도를 형성하는 데 있어 원자 확산과 추가(비대류적) 혼합의 역할을 평가하기 위해.
• 원자 확산과 끓어오름 효과를 보정한 후의 초기 리튬 농도를 결정하기 위해.
• 광도계수와 분광계 데이터를 병행하여 NGC 6752의 다중 별 집단을 식별하고 특성화하기 위해.
• 관측된 농도 경향이 체계적 오차인지 아니면 확산과 혼합과 같은 물리적 과정 때문인지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 194개의 별에 대해 전환점에서 적색거성기저까지의 진화 시퀀스에서 유파이브비 스트로마르프 광도계수를 사용하여 표면 온도(Teff), 표면중력(log g), [Fe/H] 등의 항성 파라미터를 유도하였다.
• 합성 스펙트럼을 관측 선으로 맞추어 분석한 SME 분광계수 분석 패키지를 사용하여 Li, Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Fe 등의 표면 농도를 측정하였다.
• 체계적 오차를 최소화하고 농도 정밀도를 향상시키기 위해 차등 1차원-LTE/NLTE 분광계수 분석을 수행하였다.
• 광도계수 색인 지표를 사용하여 진화 단계를 추적함으로써 주성간지점에서 세 개의 별 집단을 분리할 수 있었다.
• 항성 구조 모델(T6.2 모델)을 사용하여 원자 확산과 첫 번째 끓어오름 효과에 대한 보정을 적용하여 초기 농도를 추정하였다.
• uvby 광도계수를 사용하여 집단의 반경 분포를 분석하여 반경 분리 여부를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 6752에서 관측된 진화 단계에 따른 농도 경향은 통계적으로 유의미하고 물리적으로 실재하는가, 아니면 체계적 오차 때문인가?
• RQ2 원자 확산과 추가 혼합이 Ca, Ti, Fe의 관측된 농도 변화를 어느 정도 설명하는가?
• RQ3 원자 확산과 끓어오름 효과를 보정한 후 NGC 6752의 초기 리튬 농도는 얼마인가?
• RQ4 광도계수와 분광계 데이터를 병행하여 NGC 6752의 다중 별 집단을 신뢰성 있게 식별하고 구별할 수 있는가?
• RQ5 NGC 6752에서 별 집단의 반경 분리가 존재하는가, 그리고 화학 조성과 상관관계가 있는가?

주요 결과

• Ca, Ti, Fe에 대해 진화 단계에 따라 약 0.1 dex 정도의 약한 체계적 농도 경향이 관측되었으며, 이는 원자 확산과 추가 혼합의 작용을 지지한다.
• 원자 확산과 끓어오름 효과를 보정한 후의 초기 리튬 농도는 log ε(Li) = 2.53 ± 0.10으로 계산되었으며, 이는 플랑크 보정 BBN 예측값 2.69 ± 0.04보다 略적으로 낮다.
• 리튬, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄 농도는 본질적인(역)상관관계를 보이며, 서로 다른 화학 패턴을 가진 다중 별 집단 존재를 시사한다.
• NGC 6752의 세 개의 별 집단—제1, 제2, 제3세대—는 uvby 스트로마르프 광도계수를 사용하여 전환점(Teff ≈ 5900 K)까지 신뢰성 있게 분리할 수 있다.
• 약간의 통계적 유의성이 있는 반경 분리가 관측되었으며, 원시 별 집단이 외곽보다 약간 더 중심에 집중되어 있다.
• 관측된 농도 경향은 표면 온도의 체계적 오차에 대해 강인하며, 전환점에서 Teff를 200 K 증가시키기 위해서는 ΔTeff에 25% 이상의 비현실적인 오차가 필요하다.