[论文解读] A critical assessment of models for the origin of multiple populations in globular clusters

N. Bastian|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Astro and Planetary Science被引用 10

一句话总结

本文批判性评估了球状星团中多星族的主流模型——AGB、快速旋转大质量恒星（FRMS）、极超大质量恒星和早期盘吸积——发现所有模型均与观测结果不一致。研究结论指出，当前所有情景均无法解释观测到的化学模式、质量预算约束或年轻大质量星团数据，因此必须提出全新的理论来解释球状星团中多星族的起源。

ABSTRACT

A number of scenarios have been put forward to explain the origin of the chemical anomalies (and resulting complex colour-magnitude diagrams) observed in globular clusters (GCs), namely the AGB, Fast Rotating Massive Star, Very Massive Star, and Early Disc Accretion scenarios. We compare the predictions of these scenarios with a range of observations (including young massive clusters (YMCs), chemical patterns, and GC population properties) and find that all models are inconsistent with observations. In particular, YMCs do not show evidence for multiple epochs of star-formation and appear to be gas free by an age of ~3 Myr. Also, the chemical patterns displayed in GCs vary from one to the next in such a way that cannot be reproduced by standard nucleosynthetic yields. Finally, we show that the "mass budget problem" for the scenarios cannot be solved by invoking heavy cluster mass loss (i.e. that clusters were 10-100 times more massive at birth) as this solution makes basic predictions about the GC population that are inconsistent with observations. We conclude that none of the proposed scenarios can explain the multiple population phenomenon, hence alternative theories are needed.

研究动机与目标

• 评估四种主流情景（AGB、FRMS、极超大质量恒星和早期盘吸积）在球状星团中多星族起源方面的可行性。
• 检验这些模型是否与年轻大质量星团（YMCs）的观测、化学丰度模式以及质量预算问题一致。
• 确定在不同质量、金属量和星系中心距离的球状星团中，富集星比例（F_enrich ≈ 68%）保持恒定的现象是否与质量损失驱动模型相矛盾。
• 评估标准核合成产率是否能再现不同球状星团之间观测到的化学差异。
• 挑战一个假设：即星团中存在大质量初始损失可解决质量预算问题，但该假设在矮星系和银河系银心区域的观测约束下难以成立。

提出的方法

• 将多星族情景的模型预测与来自年轻大质量星团（YMCs）的观测数据进行比较，包括恒星形成历史、发射线诊断和颜色-星等图。
• 分析球状星团中的化学丰度模式（如Na-O反相关、He弥散），并检验其与AGB、FRMS及极超大质量恒星核合成产率的一致性。
• 通过比较当前球状星团群体的观测特性与所需初始星团质量（10–100倍当前质量）来评估“质量预算问题”。
• 利用矮星系（福尔纳克斯、WLM、IKN）的观测约束，检验星团是否可通过大量质量损失来解释场星的富集，而不会过度产生金属贫乏的场星。
• 应用APOGEE巡天数据估算场星富集的下限（F_enrich ≥ 0.07），检验解体星团是否可解释观测到的场星丰度。
• 评估M31和银河系球状星团中积分[N/Fe]与星团质量之间的相关性，以检验自富集模型的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 年轻大质量星团（YMCs）是否显示出AGB和FRMS情景所预测的多期恒星形成证据？
• RQ2 AGB、FRMS或极超大质量恒星的标准核合成产率能否再现不同球状星团之间观测到的化学模式，特别是Na-O反相关和He弥散的变化？
• RQ3 在质量、金属量和星系中心距离各不相同的球状星团中，观测到的富集星比例（F_enrich = 68 ± 7%）保持恒定，是否与需要大量初始质量损失的模型相容？
• RQ4 是否可通过假设初始星团质量为当前质量的10–100倍来解决质量预算问题——即处理质量不足，无法形成观测到的第二代恒星数量？
• RQ5 对银河系银心和矮星系中场星的观测是否排除了解体球状星团是富集场星主要来源的假设？

主要发现

• YMC中无二次恒星形成证据：研究的130个YMC均未显示发射线或恒星形成特征，仅呈现单一年龄，与AGB和FRMS情景的预测相矛盾。
• NGC 34-cluster 1的最佳拟合为单年龄种群（年龄≈100 Myr），直接与AGB情景预测的多代恒星形成相矛盾。
• 无论质量、金属量或位置如何，富集星比例（F_enrich）在球状星团中保持恒定（68 ± 7%），与需要选择性损失第一代恒星的模型相矛盾。
• 不同星团之间的化学模式存在显著差异，无法用标准核合成产率再现，表明需要随机或非标准过程。
• M31中积分[N/Fe]与星团质量的相关性，以及银河系中He弥散（ΔY）与星团质量的相关性，与预测恒星质量单位产率恒定的自富集模型相矛盾。
• 福尔纳克斯、WLM和IKN矮星系的观测表明，星团贡献了[Fe/H] < -2区域10–30%的恒星质量，因此大质量损失假设不可行，否则将过度产生具有相似金属量的场星。