[论文解读] Helium Mixing in Globular Cluster Stars

A. V. Sweigart|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出，球状星团恒星的氢燃烧壳层向包层内部的氦混合——由内部自转驱动——可解释观测到的水平分支（HB）形态异常及红巨星分支（RGB）演化现象。模型显示，氦混合会增强红巨星分支阶段的光度，从而提升质量损失率，产生更蓝、更亮的水平分支，这可能模拟出年龄差异的效应并降低推导出的星团年龄，同时影响RR Lyrae周期位移和光度-金属量关系。

ABSTRACT

The observed abundance variations in globular cluster red giants indicate that these stars may be mixing helium from the hydrogen shell outward into the envelope, presumably as a result of internal rotation. We have investigated the implications of such helium mixing for both the red- giant-branch (RGB) and horizontal-branch (HB) phases by computing a number of noncanonical evolutionary sequences for different assumed mixing depths and mass loss rates. We find that the helium-mixed models evolve to higher luminosities during the RGB phase and consequently lose more mass than their canonical counterparts. This enhanced mass loss together with the higher envelope helium abundances of the helium-mixed models produces a markedly bluer and somewhat brighter HB morphology. As a result, helium mixing can mimic age as a 2nd parameter and can reduce the ages of the metal-poor globular clusters derived from the luminosity difference between the HB and the main-sequence turnoff. Helium mixing might also lead to a larger RR Lyrae period shift and to a steeper slope for the RR Lyrae luminosity - metallicity relation if the mixing is more extensive at low metallicities, as suggested by the observed abundance variations. We discuss the implications of helium mixing for a number of other topics including the low gravities of the blue HB stars, the origin of the extreme HB stars, and the evolutionary status of the sdO stars. A variety of observational tests are presented to test this helium-mixing scenario.

研究动机与目标

• 研究从氢壳层向包层的氦混合如何影响球状星团恒星在红巨星分支和水平分支阶段的演化。
• 确定氦混合是否能解释观测到的更蓝、更亮的水平分支形态，而无需依赖年龄差异。
• 评估氦混合对质量损失率及水平分支光度函数的影响。
• 探讨氦混合对蓝水平分支恒星低表面重力及极端水平分支恒星起源的影响。
• 评估氦混合在塑造RR Lyrae周期位移和光度-金属量关系中的作用。

提出的方法

• 计算具有不同假设混合深度和质量损失率的球状星团恒星的非标准演化序列。
• 使用包含由内部自转驱动的混合过程的恒星演化模型，将氦从氢壳层输运至包层。
• 将氦混合模型与标准模型在红巨星分支和水平分支阶段的光度和颜色演化进行比较。
• 分析包层氦丰度增加和质量损失增强对水平分支形态和光度的影响。
• 模拟对RR Lyrae变星的影响，包括周期位移和光度-金属量关系。
• 评估可区分氦混合与年龄差异等其他解释的观测检验方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 从氢壳层向包层的氦混合能否解释球状星团中观测到的更蓝、更亮的水平分支形态？
• RQ2 氦混合在多大程度上改变了红巨星分支阶段的质量损失率和光度演化？
• RQ3 氦混合如何影响RR Lyrae变星的周期位移和光度-金属量关系？
• RQ4 氦混合能否解释蓝水平分支恒星观测到的低表面重力？
• RQ5 哪些观测检验可以区分氦混合与年龄差异作为水平分支形态变化的原因？

主要发现

• 由于核心能量生成增强，氦混合模型在红巨星分支阶段演化至更高的光度，从而导致质量损失增强。
• 包层氦丰度提高与质量损失增强的共同作用，使水平分支形态比标准模型更蓝、更亮。
• 氦混合可模拟年龄差异的影响，因此在利用水平分支与主序转折点光度差推导金属贫乏球状星团年龄时，会降低推导出的年龄。
• 在低金属量下更广泛的氦混合可导致更大的RR Lyrae周期位移，并使RR Lyrae光度-金属量关系的斜率更陡。
• 该情景为蓝水平分支恒星的低表面重力及极端水平分支恒星的起源提供了合理的解释。
• 本文提出了一套观测检验方法，以验证或排除氦混合假说，包括与水平分支形态、RR Lyrae特性以及亚矮O型星演化进行比较。