[论文解读] Helium variation due to self-pollution among Globular Cluster stars: consequences on the horizontal branch morphology

F. D’Antona, V. Caloi+3 more|ArXiv.org|Sep 17, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 23被引用 199

一句话总结

本文研究了中等质量渐近巨星支（AGB）恒星通过自污染使星际介质富集氦和CNO元素，如何解释球状星团中水平分支（HB）的形态。结果表明，此类污染导致的氦富集（Y ≈ 0.28）使零点质量更低，从而促成极蓝水平分支恒星的形成，尤其在M13和NGC 6752等具有强CNO元素丰度弥散的星团中更为显著。

ABSTRACT

It is becoming clear that `self--pollution' by the ejecta of massive asymptotic giant branch stars has an important role in the early chemical evolution of globular cluster stars, producing CNO abundance spreads which are observed also at the surface of unevolved stars. Considering that the ejecta which are CNO processed must also be helium enriched, we have modelled stellar evolution of globular cluster stars by taking into account this possible helium enhancement with respect to the primordial value. We show that the differences between the main evolutionary phases (main sequence, turn--off and red giants) are small enough that it would be very difficult to detect them observationally. However, the difference in the evolving mass may play a role in the morphology of the horizontal branch, and in particular in the formation of blue tails, in those globular clusters which show strong CNO abundance variations, such as M13 and NGC 6752.

研究动机与目标

• 评估AGB恒星自污染引起的氦富集对球状星团恒星演化轨迹的影响。
• 确定氦丰度变化是否能解释观测到的水平分支形态，特别是M13和NGC 6752等星团中蓝尾的存在。
• 评估通过主序星、零点附近、红巨星分支演化特征，能否在观测上区分氦增强种群与标准种群。
• 探讨氦丰度弥散是否可作为解决水平分支形态中“第二参数问题”的潜在方案。

提出的方法

• 比较金属丰度Z = 2×10⁻⁴和Z = 10⁻³下，原始氦丰度（Y = 0.23–0.24）与增强氦丰度（Y = 0.28）的恒星演化等温线。
• 对不同氦丰度下的演化阶段（包括主序、零点附近、红巨星分支和水平分支）进行建模。
• 将ZAHB（零龄水平分支）模型扩展至Y = 0.28时的0.491 M⊙，以模拟极蓝HB恒星。
• 分析因氦富集导致的零点附近恒星的光度与质量差异，重点关注质量损失与演化 timescales。
• 将观测到的CNO元素丰度弥散及AGB喷射物带来的氦富集纳入恒星演化模型。
• 通过颜色-星等图特征（特别是HB形态）评估氦丰度变化的观测可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGB恒星自污染导致的氦富集是否能解释球状星团水平分支中蓝尾的形成？
• RQ2 氦丰度变化在多大程度上影响主序星、零点附近及红巨星分支的位置与形态？
• RQ3 氦丰度增加（Y = 0.28）如何影响沿水平分支演化恒星的质量与光度？
• RQ4 M13和NGC 6752等星团中观测到的水平分支形态是否与自污染引起的氦丰度弥散一致？
• RQ5 氦富集是否可作为解决水平分支形态中“第二参数问题”的方案？

主要发现

• AGB喷射物带来的氦富集（Y ≈ 0.28）显著降低了零点附近恒星的质量，0.6 M⊙模型的亮度比标准Y = 0.24模型高出超过0.4等。
• 标准种群与氦富集种群在主序星、零点附近及红巨星分支演化上的差异过小，无法在观测上被探测到。
• 氦丰度变化显著影响水平分支形态，尤其在促成极蓝HB恒星（具有极低包层质量）形成方面起关键作用。
• 仅具有最大氦含量（Y = 0.28）的恒星在RR Lyrae区域会明显更亮，但该效应被标准质量损失（ΔM ≥ 0.2 M⊙）所掩盖。
• M13和NGC 6752等星团中蓝尾的存在，最合理的解释是氦丰度弥散，因为它使零点附近恒星质量更低，从而演化为低包层质量的极蓝HB恒星。
• 某些星团中观测到的双峰CN丰度分布与延伸的蓝HB形态表明，自污染必须影响了星团星际介质的大部分区域，暗示AGB喷射物被高效地再处理。