[论文解读] The puzzling MgAl anticorrelation in globular-cluster red giants: primordial plus deep mixing scenario?

Pavel A. Denissenkov, G. S. Da Costa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文研究了球状星团红巨星中 [Mg/Fe] 与 [Al/Fe] 之间令人困惑的负相关性，提出了一种‘原初富集加深对流’模型，即中等质量的AGB恒星以 24Mg 缺乏、25Mg 丰富的物质污染低质量恒星，随后发生深对流将源自 25Mg 的铝输运至表面。该模型成功解释了观测到的负相关性，而无需引入非物理假设。

ABSTRACT

Star-to-star abundance variations of C, N, O, Na and Al in globular-cluster red giants have been recently supplemented by the finding that [Mg/Fe] is depleted in stars with extremely large [Al/Fe] (Shetrone 1996a). This and other new spectroscopic results allow us to test current models of stellar evolution and nucleosynthesis, as well as those of the formation and chemical enrichment of globular clusters. In an effort to explain self-consistently these observations we have considered two possibilities: (1) a deep mixing scenario which assumes that in red giants some kind of (extra)mixing transports products of nuclear reactions from the hydrogen burning shell (HBS) to the base of the convective envelope; and (2) a combination of primordial and deep mixing scenarios. It is shown that (1) cannot account for the anticorrelation of [Mg/Fe] vs. [Al/Fe] without additional ad hoc assumptions, among which we identify a strong but still undetected low energy resonance in the reaction 24Mg(p,gamma)25Al, and episodical increases of the HBS temperature up to the value T approx. 74x10^6 K. In (2) intermediate mass AGB stars are assumed to produce the decreased 24Mg and increased 25Mg initial abundances in some globular-cluster low mass stars and Al is synthesized at the expense of 25Mg in the HBS and transported to the surface of the red giant by extramixing. We discuss advantages and deficiencies of both scenarios and propose some observational tests.

研究动机与目标

• 解释球状星团红巨星中 [Mg/Fe] 与 [Al/Fe] 之间观测到的负相关性，该现象对标准恒星演化模型构成挑战。
• 检验仅靠深对流是否足以解释观测到的丰度分布，特别是高铝含量恒星中镁的耗竭现象。
• 探索一种替代情景，即中等质量 AGB 恒星的原初富集与低质量红巨星中后续的深对流相结合。
• 识别重现观测到的丰度趋势所需的物理机制和核反应。
• 提出观测检验方法，以区分相互竞争的核合成情景。

提出的方法

• 模拟中等质量 AGB 恒星中的核合成，以产生初始丰度，其中 24Mg 减少而 25Mg 增强。
• 模拟低质量红巨星中深对流过程，将氢燃烧壳层的物质输运至表面。
• 使用恒星演化代码追踪具有 AGB 污染初始组成的恒星演化，包括 25Mg(p,γ)26Al 反应。
• 评估氢燃烧壳层温度变化及 24Mg(p,γ)25Al 反应中潜在低能共振对 Mg-Al 负相关性的影响。
• 将预测的表面丰度与球状星团红巨星中观测到的 [Mg/Fe] 和 [Al/Fe] 进行比较。
• 评估该模型与现有光谱数据及其它元素（C、N、O、Na）的约束的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠深对流能否解释球状星团红巨星中 [Mg/Fe] 与 [Al/Fe] 之间的观测负相关性？
• RQ2 需要哪些核反应速率或额外的物理机制，才能使深对流与观测到的 Mg-Al 趋势相协调？
• RQ3 两阶段情景（原初富集后接深对流）是否比仅靠深对流更符合数据？
• RQ4 若 24Mg(p,γ)25Al 反应中存在假设的低能共振，对 Mg-Al 负相关性有何影响？
• RQ5 如何通过丰度测量或恒星族诊断方法，对所提出的模型进行观测验证？

主要发现

• 仅靠深对流模型无法在不假设 24Mg(p,γ)25Al 反应中存在未观测到的低能共振的情况下重现 Mg-Al 负相关性。
• 深对流模型需要氢燃烧壳层温度周期性升高至约 74×10⁶ K，但这种温度升高缺乏充分的物理解释。
• 原初富集加深对流情景通过假设低质量恒星最初被中等质量 AGB 恒星提供的富含 25Mg、贫 24Mg 的物质污染，成功解释了负相关性。
• 在此情景中，铝在氢燃烧壳层由 25Mg 合成，并通过额外对流输运至表面，与观测到的 [Al/Fe] 增强一致。
• 该模型避免了引入人为假设，如未观测到的共振或极端温度脉冲。
• 作者提出观测检验方法，例如测量不同金属丰度和演化阶段恒星的 [Mg/Fe] 和 [Al/Fe]，以验证该模型。