[论文解读] Heavy elements and chemical enrichment in globular clusters

G. James, P. François+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 71被引用 61

一句话总结

本研究首次对三个不同金属丰度的球状星团（NGC 6397、NGC 6752、47 Tuc）中未演化的主序星转折点及亚巨星的中子俘获元素（Sr、Y、Ba、Eu）进行了高分辨率丰度测量。利用VLT/UVES数据，研究发现轻元素异常与重元素丰度之间无相关性，否定了经典的自富集模型，并表明球状星团经历了与场星族晕星类似的r-和s-过程均匀富集。

ABSTRACT

High resolution (R > 40 000) and high S/N spectra have been acquired with UVES on the VLT-Kueyen (Paranal Observatory, ESO Chile) for several main sequence turnoff stars (V ~ 17 mag) and subgiants at the base of the Red Giant Branch (V ~ 16 mag) in three globular clusters (NGC 6397, NGC 6752 and 47 Tuc/NGC 104) at different metallicities (respectively [Fe/H] = -2.0; -1.5; -0.7$). Spectra for a sample of 25 field halo subdwarves have also been taken with equal resolution, but higher S/N. These data have been used to determine the abundances of several neutron-capture elements in these three clusters: strontium, yttrium, barium and europium. This is the first abundance determination of these heavy elements for such unevolved stars in these three globular clusters. These values, together with the [Ba/Eu] and [Sr/Ba] abundance ratios, have been used to test the self-enrichment scenario. A comparison is done with field halo stars and other well known Galactic globular clusters in which heavy elements have already been measured in the past, at least in bright giants (V > 11-12 mag). Our results show clearly that globular clusters have been uniformly enriched by r- and s-process syntheses, and that most of them seem to follow exactly the same abundance patterns as field halo stars, which discards the ``classical'' self-enrichment scenario for the origin of metallicities and heavy elements in globular clusters.

研究动机与目标

• 测定球状星团中未演化恒星（主序星转折点及亚巨星）的中子俘获元素丰度，以检验自富集模型。
• 比较不同金属丰度下球状星团与场星族晕星的重元素丰度模式。
• 探究观测到的轻元素异常（O-Na、Mg-Al）是否与同一颗星中s-和r-过程元素丰度相关。
• 评估经典自富集模型在解释球状星团化学演化方面的有效性。
• 评估球状星团是否在形成前已被预富集，或由已金属富集的物质形成，而非通过内部过程自污染。

提出的方法

• 使用VLT-Kueyen望远镜上的UVES仪器进行高分辨率（R > 40,000）和高信噪比（S/N）光谱观测。
• 观测25颗场星族晕亚巨星和25颗球状星团中的恒星（主序星转折点及亚巨星），其金属丰度分别为[Fe/H] ≈ −2.0、−1.5和−0.7。
• 采用等效宽度和谱线合成技术进行光谱分析，测定Sr、Y、Ba和Eu的丰度。
• 比较不同演化阶段及球状星团与场星之间[Ba/Eu]和[Sr/Ba]丰度比。
• 在适用情况下使用非局部热动平衡（non-LTE）修正，以提高轮廓拟合的准确性。
• 与场星族晕星进行交叉校准，以评估不同星族间丰度模式的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团中主序星转折点与亚巨星的中子俘获元素丰度（Sr、Y、Ba、Eu）是否存在系统性差异？
• RQ2 未演化星族中，轻元素异常（如O-Na反相关）是否与s-和r-过程元素丰度相关？
• RQ3 球状星团中[Ba/Eu]和[Sr/Ba]丰度比是否与同金属丰度下场星族晕星一致？
• RQ4 经典的自富集模型（即AGB恒星污染星团）能否解释未演化恒星中观测到的均匀重元素丰度？
• RQ5 主序星转折点与亚巨星之间[Bar/Fe]比值的观测弥散是真实的，还是系统误差所致？

主要发现

• 在球状星团未演化恒星中，中子俘获元素丰度与轻元素异常（如O-Na）之间未观测到显著相关性或反相关性。
• 同一星团中不同演化阶段（主序星转折点与亚巨星）的s-过程元素（Ba、Sr）和r-过程元素（Eu）丰度保持一致，表明不存在与演化阶段相关的富集。
• 球状星团中[Ba/Eu]和[Sr/Ba]丰度比与同金属丰度下场星族晕星一致，支持共同的化学富集历史。
• 球状星团中子俘获元素的观测丰度模式最合理的解释是均匀的外部富集过程，而非AGB恒星引起的内部自污染。
• 经典自富集模型（即AGB恒星产生并污染星团s-过程元素）无法解释观测数据，因为其应导致轻元素异常与s-过程丰度之间的可检测相关性，而该相关性并不存在。
• 若主序星转折点与亚巨星之间[Bar/Fe]比值的微小弥散为真实现象，则与对流区扩大导致的稀释预期相矛盾，进一步削弱了自污染假说。