[论文解读] Multiple populations in globular clusters. Lessons learned from the Milky Way globular clusters

R. Gratton, E. Carretta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 375被引用 441

一句话总结

本文综述了银河系球状星团中多星族存在的证据，显示其包含第二代恒星，这些恒星具有异常的轻元素丰度（C、N、O、Na、Al），由第一代恒星的污染形成。其关键贡献在于确立了多代恒星形成是球状星团形成的基本特征，从而重塑了星团与星系演化的模型。

ABSTRACT

Recent progress in studies of globular clusters has shown that they are not simple stellar populations, being rather made of multiple generations. Evidence stems both from photometry and spectroscopy. A new paradigm is then arising for the formation of massive star clusters, which includes several episodes of star formation. While this provides an explanation for several features of globular clusters, including the second parameter problem, it also opens new perspectives about the relation between globular clusters and the halo of our Galaxy, and by extension of all populations with a high specific frequency of globular clusters, such as, e.g., giant elliptical galaxies. We review progress in this area, focusing on the most recent studies. Several points remain to be properly understood, in particular those concerning the nature of the polluters producing the abundance pattern in the clusters and the typical timescale, the range of cluster masses where this phenomenon is active, and the relation between globular clusters and other satellites of our Galaxy.

研究动机与目标

• 综合近期关于银河系球状星团中多星族的观测与理论进展。
• 探讨从单一代恒星族群到星团形成中多代恒星的范式转变。
• 探讨多星族对第二参数问题及银河系晕形成历史的影响。
• 识别关于污染源、核合成机制以及流体动力学在星团形成中作用的开放性问题。
• 倡导未来采用高精度光谱学与测光学的观测策略，以解决剩余的不确定性。

提出的方法

• 分析高分辨率光谱数据，测量多个球状星团中恒星的轻元素丰度（C、N、O、Na、Al、F、Mg）。
• 利用高精度测光技术识别多重主序星与亚巨星分支，特别是在NGC 6397等星团中。
• 比较光谱与测光特征，确认化学异常与多重序列之间的关联。
• 应用涉及中等质量渐近巨星支星或快速旋转大质量恒星作为污染源的自污染理论模型。
• 利用巡天的运动学数据（SEGUE、RAVE、Gaia、HERMES、LAMOST）追踪晕星流并约束星团吸积历史。
• 整合ALMA与积分场光谱数据，探测大质量恒星形成区中的冷却流与星际介质条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团恒星中观测到的丰度异常（如Na-O反相关）由何引起？其污染源是什么？
• RQ2 球状星团中恒星形成事件的时间尺度如何与所涉及的核合成机制相关联？
• RQ3 球状星团中的多星族在多大程度上反映了银河系晕及其被俘获卫星的形成历史？
• RQ4 为何某些星团表现出多重主序星而另一些则没有？这反映了星团质量与形成条件的何种信息？
• RQ5 能否通过观测类比，建立球状星团与其它星系中大质量恒星形成区之间的联系？

主要发现

• 通过测光（多重主序星）与光谱学（丰度异常）证据，球状星团中多星族的存在已得到充分确立。
• 星团中第二代恒星在化学上具有显著差异，表现为Na和Al丰度增强，而C和O丰度降低，表明其由第一代恒星污染形成。
• 星团中第一代恒星主要由低质量恒星组成，具有晕族恒星的化学特征，而第二代恒星主导了当前的星族构成。
• NGC 6397的主序星通过高精度测光被分解为两条独立序列，证实了多星族的存在。
• 多星族的形成可能涉及中等质量渐近巨星支星或快速旋转大质量恒星的自污染，但确切的污染源仍不确定。
• 未来巡天（如Gaia、HERMES、LAMOST）将提供超过10⁵颗恒星的运动学与丰度数据，使星团动力学与化学演化研究得以深入。