[论文解读] Atomic Diffusion and Mixing in Old Stars V: A deeper look into the Globular Cluster NGC 6752

Pieter Gruyters, Thomas Nordlander+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用 28

一句话总结

本研究利用uvby斯特罗姆伦测光与VLT/FLAMES-GIRAFFE光谱仪对194颗恒星进行联合观测，调查了金属贫乏球状星团NGC 6752演化序列中原子扩散及额外混合现象。研究在亚巨星分支上发现了Ca、Ti和Fe的微弱但系统性的丰度趋势（≈0.1 dex），最合理的解释是恒星模型中包含了高效额外混合的原子扩散过程，并推导出初始锂丰度为log ε(Li) = 2.53 ± 0.10，与大爆炸核合成预测一致。

ABSTRACT

Abundance trends in heavier elements with evolutionary phase have been shown to exist in the globular cluster NGC 6752 [Fe/H]=-1.6. These trends are a result of atomic diffusion and additional (non-convective) mixing. Studying such trends can provide us with important constraints on the extent to which diffusion modifies the internal structure and surface abundances of solar-type, metal-poor stars. Taking advantage of a larger data sample, we investigate the reality and the size of these abundance trends and address questions and potential biases associated with the various stellar populations that make up NGC6752. Based on uvby Strömgren photometry, we are able to separate three stellar populations in NGC 6752 along the evolutionary sequence from the base of the red giant branch down to the turnoff point. We find weak systematic abundance trends with evolutionary phase for Ca, Ti, and Fe which are best explained by stellar-structure models including atomic diffusion with efficient additional mixing. We derive a new value for the initial lithium abundance of NGC 6752 after correcting for the effect of atomic diffusion and additional mixing which falls slightly below the predicted standard BBN value. We find three stellar populations by combining photometric and spectroscopic data of 194 stars in the globular cluster NGC 6752. Abundance trends for groups of elements, differently affected by atomic diffusion and additional mixing, are identified. Although the statistical significance of the individual trends is weak, they all support the notion that atomic diffusion is operational along the evolutionary sequence of NGC 6752.

研究动机与目标

• 调查金属贫乏球状星团NGC 6752中丰度趋势随演化阶段变化的真实性与程度。
• 评估原子扩散与额外（非对流）混合在塑造类太阳恒星表面丰度中的作用。
• 在修正原子扩散与上翻效应后，确定NGC 6752的初始锂丰度。
• 利用测光与光谱数据识别并表征NGC 6752中的多重恒星族。
• 检验观测到的丰度趋势是否由系统误差所致，或源于扩散与混合等物理过程。

提出的方法

• 利用uvby斯特罗姆伦测光法，从主序转折点至红巨星分支底部，对194颗恒星的恒星参数（Teff, log g, [Fe/H]）进行推导。
• 使用SME光谱分析软件包，通过拟合合成谱与观测谱线，测量Li、Na、Mg、Al、Si、Ca、Ti和Fe的表面丰度。
• 采用差分1D-LTE/NLTE光谱分析方法，以最小化系统误差并提高丰度测量精度。
• 利用测光色指数追踪演化阶段，实现对亚巨星分支上三类恒星族的分离。
• 利用恒星结构模型（T6.2模型）对原子扩散与首次上翻效应进行丰度修正，以推断初始丰度。
• 利用uvby测光分析各族的径向分布，以检验是否存在径向分异现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 6752中观测到的丰度趋势随演化阶段变化是否具有统计显著性且为物理真实现象，抑或源于系统误差？
• RQ2 原子扩散与额外混合在多大程度上可解释Ca、Ti和Fe的观测丰度变化？
• RQ3 在修正原子扩散与上翻效应后，NGC 6752的初始锂丰度是多少？
• RQ4 能否利用测光与光谱数据可靠地识别并区分NGC 6752中的多重恒星族？
• RQ5 NGC 6752中是否存在恒星族的径向分异？其与化学成分是否相关？

主要发现

• 在演化阶段上观测到Ca、Ti和Fe的微弱系统性丰度趋势（≈0.1 dex），支持原子扩散与额外混合的共同作用。
• NGC 6752的初始锂丰度经原子扩散与上翻效应修正后为log ε(Li) = 2.53 ± 0.10，略低于Planck校准的BBN预测值2.69 ± 0.04。
• 锂、钠、镁与铝的丰度表现出内在（反）相关性，表明存在具有不同化学特征的多重恒星族。
• NGC 6752中的三类恒星族——第一代、第二代与第三代——可利用uvby斯特罗姆伦测光可靠地区分，直至主序转折点（Teff ≈ 5900 K）。
• 观测到微弱但显著的径向分异，原始族恒星在星团中心区域的分布略为集中于外区。
• 观测到的丰度趋势对有效温度的系统误差具有鲁棒性：若主序转折点处Teff增加200 K，将要求ΔTeff存在不切实际的25%误差。