[论文解读] White Dwarf cooling Sequences, II: luminosity functions

P. G. Prada Moroni, O. Straniero|ArXiv.org|Feb 15, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 56被引用 14

一句话总结

本文通过在不同导热不透明度、碳氧核心丰度及初始终末质量关系假设下分析光度函数（LF），评估了白矮星（WD）冷却模型作为古老星族系统中宇宙时钟的准确性。研究发现，导热不透明度导致年龄估计约有10%的不确定性，碳丰度贡献小于5%的不确定性，而初始-终末质量关系引起的年龄不确定性最高可达8%；初始分群函数（IMF）对光度函数峰值位置的影响可忽略不计。

ABSTRACT

Given the importance of white dwarfs (WDs) in many fields of modern astrophysics, the precise knowledge of the actual degree of accuracy of the associated theoretical predictions is a primary task. In the first paper of a series dedicated to the modeling of WD structure and evolution we discussed the limits of the available theoretical studies of cooling sequences. In the present work we extend this analysis to isochrones and luminosity functions of WDs belonging to old stellar systems, like globular or old disk clusters. The discussion is focused on the most common DA, those with a CO core and an H-rich envelope. We discuss, in particular, the variation of the age derived from the observed WD sequence caused by different assumptions about the conductive opacity as well as that induced by changing the carbon abundance in the core. The former causes a global uncertainty of the order of 10% and the latter of about 5%. We discuss different choices of the initial-to-final mass relation, which induces an uncertainty of 8% on the GC age estimate.

研究动机与目标

• 评估白矮星冷却模型在古老星族系统（如球状星团）中作为宇宙时钟的可靠性。
• 量化由于理论输入物理参数变化，从白矮星光度函数推导出的年龄估计中的不确定性。
• 评估部分简并核心中的导热不透明度、碳氧丰度及初始-终末质量关系对光度函数形状与峰值位置的影响。
• 确定初始分群函数（IMF）和金属度对从白矮星光度函数推导出的年龄的影响。
• 为球状星团中基于白矮星的年龄测定提供全面的不确定性预算。

提出的方法

• 计算了质量在0.5至0.9 M☉之间的碳氧白矮星模型网格，变化其导热不透明度和核心C/O分布。
• 利用哈勃空间望远镜/先进巡天相机（HST/ACS）的响应曲线，在多个测光波段（U、B、V、I）中生成白矮星等龄线和光度函数（LF）。
• 比较了不同初始-终末质量关系方案下的光度函数：经验关系（Weidemann）、半经验关系（Girardi et al.）及演化关系（Hurley et al.）。
• 通过改变初始分群函数（IMF）斜率（α = 1, 2.3, 3）来评估其对光度函数峰值高度与位置的影响。
• 使用瑞默斯质量损失（η=0.4）和经验质量损失-周期关系的预-和后-渐近巨星分支（pre- and post-AGB）恒星演化模型，模拟前体星演化。
• 从完整的恒星演化模型（Straniero et al.）中计算预白矮星年龄，并与已发表模型交叉验证以确保一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 部分简并核心中导热不透明度的不确定性在多大程度上影响白矮星光度函数的形状和年龄估计？
• RQ2 核心中碳氧丰度的变化在多大程度上影响从白矮星光度函数推导出的球状星团年龄？
• RQ3 白矮星光度函数对不同初始-终末质量关系方案的敏感性如何？
• RQ4 初始分群函数（IMF）斜率是否显著影响光度函数峰值位置，从而影响推断的星团年龄？
• RQ5 前体星中金属度的变化在多大程度上影响从白矮星冷却序列推导出的年龄？

主要发现

• 部分简并核心中的导热不透明度在古老星族系统中导致白矮星年龄估计的全局不确定性约为10%。
• 核心中碳氧丰度的变化对球状星团推导年龄的不确定性贡献小于5%。
• 初始-终末质量关系是主要的不确定性来源，根据所采用的方案，可导致球状星团年龄估计误差高达8%。
• 初始分群函数（IMF）斜率仅影响光度函数峰值的高度，不影响其位置，因此对年龄测定的影响可忽略不计。
• 金属度在Z=0.0001至Z=0.006范围内变化时，导致相关球状星团范围内的年龄差异约为10%，因此需要进行金属度特定的建模。
• 当用Weidemann的关系替换作者的初始-终末质量关系时，光度函数峰值移动约0.1 mag（对应约0.3 Gyr）；而使用Girardi et al.的关系时，峰值移动约0.3 mag（对应约1 Gyr）。