[论文解读] Constraining the original composition of the gas forming first-generation stars in globular clusters

M. V. Legnardi, A. P. Milone+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 65被引用 46

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜对NGC 6362和NGC 6838的高精度测光数据，分析了第一代（1G）恒星的染色体图（ChM），证明金属丰度差异而非氦或双星系统是导致1G序列展宽的原因。作者在55个球状星团中发现1G恒星的金属丰度弥散范围为0.05–0.30 dex，与星团质量呈微弱正相关，挑战了吸积形成模型，该模型预测1G与2G恒星之间铁元素丰度应保持均匀。

ABSTRACT

Disentangling distinct stellar populations along the red-giant branches (RGBs) of globular clusters (GCs) is possible by using the pseudo-two-colour diagram dubbed chromosome map (ChM). One of the most intriguing findings is that the so-called first-generation (1G) stars, characterized by the same chemical composition of their natal cloud, exhibit extended sequences in the ChM. Unresolved binaries and internal variations in helium or metallicity have been suggested to explain this phenomenon. Here, we derive high-precision Hubble Space Telescope photometry of the GCs NGC 6362 and NGC 6838 and build their ChMs. We find that both 1G RGB and main-sequence (MS) stars exhibit wider ChM sequences than those of second-generation (2G). The evidence of this feature even among unevolved 1G MS stars indicates that chemical inhomogeneities are imprinted in the original gas. We introduce a pseudo-two-magnitude diagram to distinguish between helium and metallicity, and demonstrate that star-to-star metallicity variations are responsible for the extended 1G sequence. Conversely, binaries provide a minor contribution to the phenomenon. We estimate that the metallicity variations within 1G stars of 55 GCs range from less than [Fe/H]∼0.05 to ∼0.30 and mildly correlate with cluster mass. We exploit these findings to constrain the formation scenarios of multiple populations showing that they are qualitatively consistent with the occurrence of multiple generations. In contrast, the fact that 2G stars have more homogeneous iron content than the 1G challenges the scenarios based on accretion of material processed in massive 1G stars on to existing protostars.

研究动机与目标

• 确定球状星团染色体图（ChM）中第一代（1G）恒星延伸序列的起源。
• 区分导致1G恒星ChM弥散的多种竞争解释——氦丰度不均、双星系统以及金属丰度差异。
• 评估1G恒星金属丰度差异对球状星团多星族形成情景的影响。
• 比较1G与第二代（2G）恒星的内部金属丰度弥散，并评估其与基于吸积的模型的一致性。

提出的方法

• 对球状星团NGC 6362和NGC 6838获取了高精度哈勃空间望远镜（HST）测光数据。
• 构建了染色体图（ChM），即使用F275W、F336W、F438W和F814W滤光片的伪双色图，以分析恒星族特征。
• 提出了一种新的伪双星等图，以分离氦和金属丰度对ChM序列的影响。
• 对红序（RGB）和主序（MS）恒星的ChM序列进行了统计分析，以识别导致弥散的主导物理机制。
• 在55个球状星团中测量了1G恒星的金属丰度弥散，并与星团质量进行相关性分析。
• 将结果与涉及大质量1G恒星抛射物质量吸积的多星族形成理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团染色体图（ChM）中第一代（1G）恒星延伸序列的物理机制是什么？
• RQ2 与氦丰度不均或双星系统相比，铁丰度（[Fe/H]）的变化在多大程度上导致了1G恒星ChM的弥散？
• RQ3 1G与第二代（2G）恒星的内部金属丰度弥散如何比较？这对基于吸积的形成模型有何启示？
• RQ4 1G恒星的金属丰度弥散是否与宿主球状星团的质量存在相关性？
• RQ5 所观测到的ChM形态能否与涉及自富集或外部吸积的多代形成情景相一致？

主要发现

• 球状星团染色体图（ChM）中第一代（1G）恒星的延伸序列主要由恒星间金属丰度差异引起，而非氦丰度或双星系统。
• 在55个球状星团中，1G恒星的金属丰度弥散范围为[Fe/H] ∼0.05至∼0.30 dex，与星团质量呈微弱正相关。
• 金属丰度弥散不仅存在于演化后的红序（RGB）恒星中，也存在于未演化的主序（MS）1G恒星中，表明化学不均一性在原始气体中即已形成。
• 第二代（2G）恒星的内部金属丰度变化显著小于1G恒星，挑战了吸积模型中1G与2G恒星铁元素丰度应保持一致的预测。
• 观测到的1G恒星金属丰度弥散与超新星抛射物或星际介质中不完全混合的自富集过程一致，但与纯氦丰度变化不一致。
• 结果支持多代形成情景：1G恒星形成于化学不均一的气体中，而2G恒星则在更致密区域形成，化学不均一性在此处已被平滑化。