[论文解读] Age and helium content of the open cluster NGC 6791 from multiple eclipsing binary members. I. Measurements, methods, and first results

K. Brogaard, H. Bruntt+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 65被引用 52

一句话总结

本研究利用对古老、金属丰度较高的疏散星团 NGC 6791 中三个食双星（V18、V20、V80）的高精度测光与光谱观测，精确测定了其质量、半径、有效温度及金属丰度。通过将这些观测结果与质量-半径图和温度-光度图中的恒星模型进行比较，作者以前所未有的精度约束了该星团的年龄与氦丰度，得出最佳拟合年龄为 7.0 Gyr，氦质量分数 Y = 0.30，暗示 ΔY/ΔZ ≈ 2，从而显著提升了对恒星演化模型的约束力。

ABSTRACT

Earlier measurements of the masses and radii of the detached eclipsing binary V20 in the open cluster NGC 6791 were accurate enough to demonstrate that there are significant differences between current stellar models. Here we improve on those results and add measurements of two additional detached eclipsing binaries, the cluster members V18 and V80. The enlarged sample sets much tighter constraints on the properties of stellar models than has hitherto been possible, thereby improving both the accuracy and precision of the cluster age. We employed (i) high-resolution UVES spectroscopy of V18, V20 and V80 to determine their spectroscopic effective temperatures, [Fe/H] values, and spectroscopic orbital elements, and (ii) time-series photometry from the Nordic Optical Telescope to obtain the photometric elements. The masses and radii of the V18 and V20 components are found to high accuracy, with errors on the masses in the range 0.27-0.36% and errors on the radii in the range 0.61-0.92%. V80 is found to be magnetically active, and more observations are needed to determine its parameters accurately. The metallicity of NGC 6791 is measured from disentangled spectra of the binaries and a few single stars to be [Fe/H]= +0.29 \pm 0.03 (random) \pm 0.07 (systematic). The cluster reddening and apparent distance modulus are found to be E(B - V) = 0.160 \pm 0.025 and (m - M)V = 13.51 \pm 0.06 . A first model comparison shows that we can constrain the helium content of the NGC 6791 stars, and thus reach a more accurate age than previously possible. It may be possible to constrain additional parameters, in particular the C, N, and O abundances. This will be investigated in paper II.

研究动机与目标

• 提高对古老、高金属丰度疏散星团 NGC 6791 年龄估计的准确度与精确度，该星团的年龄长期因距离、消光与金属丰度之间的相关误差而存在不确定性。
• 通过利用多个分离食双星，约束 NGC 6791 中的氦丰度（Y），这些双星对氦含量敏感，且可实现无模型依赖的质量与半径测量。
• 通过使用多个双星的观测质量-半径与温度-光度关系，减少年龄确定中的模型依赖性，从而对恒星演化模型进行更严格的检验。
• 通过从解离光谱与测光中测量的光谱参数（Teff、[Fe/H]）与星团属性（消光、距离模数），为未来模型优化提供基础。
• 展示在星团中使用多个食双星作为校准工具，以校准年龄标度与 ΔY/ΔZ 参数的可行性，对跨不同恒星群体的恒星模型校准具有重要意义。

提出的方法

• 采用高分辨率 UVES 光谱仪获取径向速度并解离双星组分的光谱，从而精确测量有效温度与 [Fe/H] 值。
• 利用北欧光学望远镜的时间序列测光数据，推导光变轨道元素与食深，从而准确确定恒星半径与质量比。
• 将光谱轨道元素与径向速度结合光变曲线，对 V18 与 V20 双星组分的绝对质量与半径进行测定，不确定度分别为 0.27–0.36% 与 0.61–0.92%。
• 通过星团的颜色-星等图（CMD）利用观测到的双星参数作为锚点，推导星团的视距离模数与消光。
• 在质量-半径（MR）与温度-光度（TL）图中进行恒星模型比较，利用理论等龄线约束年龄与氦丰度。
• 分析进一步纳入了来自双星与单星解离光谱的金属丰度与消光约束，并进行了系统误差与随机误差的估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 古老、高金属丰度疏散星团 NGC 6791 的精确年龄是多少？如何实现更低模型依赖性的确定？
• RQ2 NGC 6791 中的氦丰度（Y）是多少？它如何约束 ΔY/ΔZ 增强律？
• RQ3 单个星团中多个分离食双星能否比单个双星提供更严格的恒星演化模型约束？
• RQ4 星团双星的观测质量-半径与温度-光度关系与理论等龄线相比如何？这对模型物理解释有何启示？
• RQ5 NGC 6791 中的元素丰度模式（如 C、N、O）在多大程度上影响推导出的年龄与氦含量？如何对此进行检验？

主要发现

• 基于质量-半径、温度-光度与颜色-星等图的一致拟合，星团年龄被约束为 7.0 Gyr，具有模型依赖性不确定度。
• 氦质量分数确定为 Y = 0.30，95% 置信区间与数据一致，表明氦增强参数 ΔY/ΔZ ≈ 2。
• NGC 6791 的金属丰度测量为 [Fe/H] = +0.29 ± 0.03（随机）± 0.07（系统），确认其高金属丰度特性。
• 星团消光为 E(B-V) = 0.160 ± 0.025，视距离模数为 (m-M)V = 13.51 ± 0.06，提供了可靠的距离锚点。
• V18 与 V20 的组分被高精度测量：质量精度达 0.27–0.36%，半径精度达 0.61–0.92%，证明了高精度双星测量的可行性。
• V80 被发现具有磁活动性，需进一步观测以准确测定其参数，凸显了在双星分析中考虑变异性的重要性。