[论文解读] Atomic diffusion and mixing in old stars IV: Weak abundance trends in the globular cluster NGC 6752

Pieter Gruyters, A. J. Korn+6 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用 34

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/FLAMES-UVES对16颗恒星在不同演化阶段的光谱，调查了金属贫乏球状星团NGC 6752中弱丰度趋势。研究发现，原子扩散与增强的额外混合可解释Fe、Sc、Ti和Ca中微弱但显著的丰度趋势，得到校正原子扩散后的原始锂丰度为log ε(Li) = 2.58 ± 0.10，与大爆炸核合成预测一致。

ABSTRACT

Atomic diffusion in stars can create systematic trends of surface abundances with evolutionary stage. Globular clusters offer useful laboratories to put observational constraints on this theory as one needs to compare abundances in unevolved and evolved stars, all drawn from the same stellar population. In this paper, we show the results of an abundance study of stars in the globular cluster NGC6752 which shows weak but systematic abundances trends with evolutionary phase for Fe, Sc, Ti and Ca. The trends are best explained by a stellar structure model including atomic diffusion with efficient additional mixing. The model allows to correct for sub-primordial stellar lithium abundances of the stars on the Spite plateau, and to match it to the WMAP-calibrated Big-Bang nucleosynthesis predictions to within the mutual 1-sigma errors.

研究动机与目标

• 检验金属贫乏球状星团NGC 6752中[Fe/H] ≈ -1.6时原子扩散与额外混合的运行情况。
• 确定Fe、Sc、Ti、Ca、Mg和Li等关键元素在从主序拐点到红巨星分支的演化阶段中是否存在丰度趋势。
• 与之前对NGC 6397的研究相比，约束解释观测丰度模式所需的额外混合效率。
• 推导校正原子扩散后的原始锂丰度，并评估其与大爆炸核合成预测的一致性。
• 通过与NGC 6397及其他星团的比较，研究额外混合效率对金属量的依赖性。

提出的方法

• 对16颗恒星按演化阶段（主序拐点与红巨星分支）分组，进行高分辨率VLT/FLAMES-UVES光谱的差分丰度分析。
• 使用DAOSPEC对恒星光谱进行自动连续谱归一化，以确保一致的通量定标。
• 通过拟合合成光谱到单条光谱线，相对于太阳推导差分丰度。
• 应用包含原子扩散与额外混合（AddMix）的恒星结构模型，以特征温度T₀参数化。
• 将观测到的丰度趋势与模型预测进行比较，推断所需的混合效率。
• 使用Richard等（2005）的恒星演化模型，结合AD与AddMix，解释数据并推导校正后的原始锂丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 6752中Fe、Sc、Ti、Ca和Mg的丰度是否随演化阶段存在系统性趋势？
• RQ2 NGC 6752中观测到的丰度模式是否与包含原子扩散和额外混合的模型一致？
• RQ3 考虑到金属量相差0.5 dex，NGC 6752中所需的额外混合效率与NGC 6397相比如何？
• RQ4 NGC 6752中校正原子扩散后的原始锂丰度是多少？与大爆炸核合成预测相比如何？
• RQ5 观测到的趋势强度是否支持额外混合效率随金属量增加的假设？

主要发现

• 在Fe、Sc、Ti和Ca中检测到与演化阶段相关的微弱但系统性的丰度趋势，综合显著性为2σ。
• 观测趋势最合理的解释是恒星模型中包含原子扩散，且额外混合效率高于NGC 6397中所需的水平。
• 推导出的校正原子扩散后的原始锂丰度为log ε(Li) = 2.58 ± 0.10，与WMAP校准的大爆炸核合成预测值（2.71 ± 0.06）在1σ不确定度内一致。
• 与NGC 6397相比，这些趋势更弱，表明NGC 6752中额外混合可能更有效，可能由于其金属量更高。
• 分析表明，NGC 6752中的锂丰度低于原始值，且与相同金属量的场星一致，未发现log ε(Li) ≥ 2.50的恒星。
• 结果支持额外混合效率可能随金属量增加的假设，可能在更高金属量星团中抑制扩散特征。