[论文解读] Atomic diffusion and mixing in old stars II. Observations of stars in the globular cluster NGC 6397 with VLT/FLAMES-GIRAFFE

K. Lind, A. J. Korn+2 more|ArXiv.org|Sep 1, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 36被引用 38

一句话总结

本研究利用高分辨率VLT/FLAMES-GIRAFFE光谱，确认了球状星团NGC 6397中金属贫乏恒星在从主序转折点演化至红巨星分支的过程中，铁和镁的丰度系统性增加。观测到的有效温度降低时，铁丰度增加0.13 dex，该结果稳健，最佳解释为原子扩散结合额外湍流混合，支持在古老、金属贫乏恒星的恒星演化模型中包含这些过程的理论。

ABSTRACT

Evolutionary trends in the surface abundances of heavier elements have recently been identified in the globular cluster NGC 6397 ([Fe/H]=-2), indicating the operation of atomic diffusion in these stars. Such trends constitute important constraints for the extent to which diffusion modifies the internal structure and surface abundances of solar-type, metal-poor stars. We perform an independent check of the reality and size of abundance variations within this metal-poor globular cluster. Observational data covering a large stellar sample, located between the cluster turn-off point and the base of the red giant branch, are homogeneously analysed. The spectroscopic data were obtained with the medium-high resolution spectrograph FLAMES/GIRAFFE on VLT-UT2. We derive independent effective-temperature scales from profile fitting of Balmer lines and by applying colour-temperature calibrations to Strömgren uvby and broad-band BVI photometry. An automated spectral analysis code is used together with a grid of MARCS model atmospheres to derive stellar surface abundances of Mg, Ca, Ti, and Fe. We identify systematically higher iron abundances for more evolved stars. The turn-off point stars are found to have 0.13dex lower surface abundances of iron compared to the coolest, most evolved stars in our sample. There is a strong indication of a similar trend in magnesium, whereas calcium and titanium abundances are more homogeneous. Within reasonable error limits, the obtained abundance trends are in agreement with the predictions of stellar structure models including diffusive processes (sedimentation, levitation), if additional turbulent mixing below the outer convection zone is included.

研究动机与目标

• 独立验证论文I中报告的球状星团NGC 6397金属贫乏恒星中，特别是铁和镁的丰度变化的存在性及其幅度。
• 评估观测到的丰度趋势在有效温度测定不确定性下的稳健性，尤其是有效温度的不确定性。
• 检验观测到的丰度趋势是否与包含原子扩散和湍流混合的恒星结构模型一致。
• 通过比较多种温度测定方法并评估系统误差，评估光谱分析的可靠性。
• 确定观测到的趋势是否为建模局限性的产物，还是金属贫乏、古老恒星中真实的物理效应。

提出的方法

• 利用VLT上的FLAMES/GIRAFFE获取了NGC 6397中约100颗恒星的中等分辨率（R ~ 27,000）光谱数据，覆盖从主序转折点到红巨星支底部的演化序列。
• 通过拟合巴尔末Hα线轮廓确定有效温度，并利用斯特罗姆格伦uvby和宽带BVI光度法进行交叉验证，采用多种颜色-Teff校准关系。
• 使用自动代码和MARCS一维静态模型大气网格，对Fe、Mg、Ca和Ti的表面丰度进行同质化光谱分析。
• 应用局部热动平衡（LTE）分析测定元素丰度，对铁峰元素特别关注激发态平衡和电离平衡。
• 将观测到的丰度趋势与包含原子扩散（沉降和提升）及对流区下方额外湍流混合的恒星结构模型预测进行比较。
• 通过在热星中增加±350 K、在冷星中减少±200 K的温度偏移，评估潜在系统误差对温度标度的影响，以评估其对观测丰度趋势的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用更大、同质化的样本和独立的分析工具时，NGC 6397恒星中铁和镁的观测丰度趋势是否仍然存在？
• RQ2 观测到的从主序转折点到红巨星分支恒星铁丰度增加0.13 dex的趋势，是否对有效温度测定的不确定性具有稳健性？
• RQ3 观测到的丰度趋势是否可由包含原子扩散和湍流混合的恒星结构模型解释，还是需要额外的物理过程？
• RQ4 与先前研究相比，这些结果如何？先前研究在NGC 6397中未发现主序转折点与红巨星分支恒星之间存在显著的丰度差异。
• RQ5 温度标度或建模假设（如LTE、一维模型）中的系统误差在多大程度上影响对观测丰度趋势的解释？

主要发现

• 从最热、最演化的主序转折星（T_eff ≈ 6,250 K）到最冷、最演化的红巨星支星（T_eff ≈ 5,450 K），观测到铁丰度（log ε_Fe）显著增加0.13 dex，表明表面丰度系统性富集。
• 观测到的铁丰度趋势对有效温度的合理系统误差具有稳健性：需将热星温度提高350 K或冷星温度降低200 K才能消除该趋势，而作者认为这在多种温度测定方法一致的前提下不切实际。
• 镁丰度也显示出类似趋势，但确定性较低，其检测因对恒星参数高度敏感及可能存在差异化的非局部热动平衡（NLTE）效应而复杂化。
• 钙和钛的丰度无显著趋势，其分布在整个演化序列中保持平坦。
• 观测到的Fe和Mg丰度趋势与包含原子扩散（沉降和提升）及对流区下方额外湍流混合的恒星结构模型预测高度一致。
• 在亚巨星支较冷的一半区域，这种一致性尤为显著，此时湍流混合的影响较小，支持原子扩散是塑造未演化、金属贫乏恒星表面丰度的主导物理机制的结论。