[論文レビュー] Evolutionary models for metal-poor low-mass stars. Lower main sequence of globular clusters and halo field stars

I. Baraffe, G. Chabrier+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 23

ひとこと要約

本論文では、金属量 [M/H] = −2.0 から −1.0 の範囲で、非灰色大気モデルと更新された内部物理を組み込んだ、金属不足で低質量星（0.08–0.8 M☉）の改善された進化モデルを提示する。これらのモデルは、球状星団の下部系列におけるハッブル宇宙望遠鏡の観測を正確に再現し、水素燃焼限界付近での衝突誘起H₂吸収に起因する赤外域のブルーシフトを予測する。これにより、質量の高精度決定とハロー星の金属量分析が可能となる。

ABSTRACT

We have performed evolutionary calculations of very-low-mass stars from 0.08 to 0.8 $\msol$ for different metallicites from [M/H]= -2.0 to -1.0 and we have tabulated the mechanical, thermal and photometric characteristics of these models. The calculations include the most recent interior physics and improved non-grey atmosphere models. The models reproduce the entire main sequences of the globular clusters observed with the Hubble Space Telescope over the afore-mentioned range of metallicity. Comparisons are made in the WFPC2 Flight system including the F555, F606 and F814 filters, and in the standard Johnson-Cousins system. We examine the effects of different physical parameters, mixing-length, $α$-enriched elements, helium fraction, as well as the accuracy of the photometric transformations of the HST data into standard systems. We derive mass-effective temperature and mass-magnitude relationships and we compare the results with the ones obtained with different grey-like approximations. These latter are shown to yield inaccurate relations, in particular near the hydrogen-burning limit. We derive new hydrogen-burning minimum masses, and the corresponding absolute magnitudes, for the different metallicities. We predict color-magnitude diagrams in the infrared NICMOS filters, to be used for the next generation of the HST observations, providing mass-magnitudes relationships in these colors down to the brown-dwarf limit. We show that the expected signature of the stellar to substellar transition in color-magnitude diagrams is a severe blueshift in the infrared colors, due to the increasing collision-induced absorption of molecular hydrogen with increasing density and decreasing temperature.

研究の動機と目的

• 金属不足で低質量星の水素燃焼限界までにわたる正確な進化モデルの開発を目的とする。
• 下部系列における低質量星の観測色・等級とモデル予測の間にある長年の不一致を解消することを目的とする。
• 球状星団およびハロー場星の信頼性のある質量-光度関係および質量-等級関係を提供することを目的とする。
• 将来のハッブル宇宙望遠鏡NICMOS観測における写真的特徴を予測すること、特に星から亜星への遷移付近を目的とする。
• ハロー場星の金属量を特定し、それが球状星団のシーケンスと整合的であるかを評価することを目的とする。

提案手法

• 更新された状態方程式、光沢、対流処理を用いて、0.08 から 0.8 M☉ の星を進化させた。
• 非灰色モデル大気（Allard & Hauschildt, 1995, 1997）を組み込み、放射束および色の計算を改善した。
• 観測との直接比較を可能にするために、HST WFPC2（F555, F606, F814）およびJohnson-Cousins系における光度を計算した。
• α要素の過剰と可変なヘリウム分率を適用し、それらがモデル予測に与える影響を評価した。
• 将来の赤外HST観測を支援するため、理論的シーケンスをNICMOSフィルタ（J, H, K）で生成した。
• 球状星団およびハロー場星の観測色-等級図を用いて、モデルのキャリブレーションと検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非灰色大気モデルと改善された内部物理は、金属不足の低質量星の予測色・等級にどのように影響を与えるか？
• RQ2 水素燃焼限界付近の質量-効果温度関係および質量-等級関係を予測する際、グレー近似がどの程度失敗するか？
• RQ3 星から亜星への遷移が赤外色-等級図にどのような写真的特徴をもたらすか？
• RQ4 ハロー場星の観測特性は、同様の金属量を有する球状星団星のそれと整合的か？
• RQ5 モデルは、その光度測定に基づいて個々のハロー場星の金属量を正確に特定できるか？

主な発見

• モデルは、[M/H] = −2.0 から −1.0 の範囲で、HST WFPC2およびJohnson-Cousins系における球状星団の観測された下部系列を正確に再現した。
• 非灰色大気と改善された内部物理の組み込みにより、T_eff < 4000 K においてモデルが最大1等級も青すぎるという長年の不一致が解消された。
• 水素燃焼限界付近で、密度の上昇に伴い増加する衝突誘起H₂吸収の影響により、赤外色（J−H, H−K）に顕著なブルーシフトが予測された。
• 水素燃焼の最小質量は [M/H] = −1.0 で 0.08 M☉ と導出され、亜星限界まで対応する絶対等級が提供された。
• ハロー場星は [M/H] = −2.0 から太陽付近まで金属量分散を示すが、平均金属量が [M/H] ≈ −1.3 から −1.5 の範囲で、球状星団のシーケンスと顕著な差は認められなかった。
• モデルは、将来のHST NICMOS観測が [M/H] = −1.0 で M_J ≈ M_H ≈ M_K ≈ 13–14 の等級に達し、亜星領域の直接的探査が可能になると予測した。