[论文解读] Na-O Anticorrelation and HB. VII. The chemical composition of first and second-generation stars in 15 globular clusters from GIRAFFE spectra

E. Carretta, A. Bragaglia+13 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 16, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用 492

一句话总结

本研究利用FLAMES/GIRAFFE光谱对15个球状星团中的1,409颗红巨星进行了Fe、Na和O丰度的同质化分析，揭示了Na-O反相关呈双峰分布，定义了三个星族：原始星族（P）、中间星族（I）和极端星族（E）。关键发现是，Na-O反相关的斜率随星团金属量和光度变化，表明污染恒星的平均质量与星团质量相关，且极端星族在大质量星团中更为显著。

ABSTRACT

We present abundances of Fe, Na, and O for 1409 red giant stars in 15 galactic globular clusters, derived from the homogeneous analysis of high resolution FLAMES/GIRAFFE spectra. Combining the present data with previous results, we obtained a total sample of 1958 stars in 19 clusters, the largest and most homogeneous database of this kind to date. Our GCs have [Fe/H] from -2.4 to -0.4, with a wide variety of global parameters (morphology of the horizontal branch, mass, concentration, etc). For all clusters we find the Na-O anticorrelation, the classical signature of proton-capture reactions in H-burning at high temperature in a previous generation of more massive stars, now extinct. Using quantitative criteria (from the morphology and extension of the Na-O anticorrelation), we can define 3 components of the stellar population in GCs: a primordial component (P) of first-generation stars, and 2 components of second-generation stars (intermediate I and extreme E populations from their different chemical composition). The P component is present in all GCs, and its fraction is almost constant at about one third. The I component represents the bulk of the cluster population. The E component is not present in all GCs, and it is more conspicuous in some (but not in all) of the most massive ones. We discuss the fractions and spatial distributions of these components in our sample and in two additional clusters (M3 and M13) from the literature. We also find that the slope of the anti-correlation (defined by the minimum O and maximum Na abundances) changes from cluster-to-cluster, a change that is represented well by a bilinear relation on cluster metallicity and luminosity. This second dependence suggests a correlation between average mass of polluters and cluster mass.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学测定球状星团中第一代和第二代恒星的化学成分。
• 解决长期以来关于星族恒星中轻元素（Na、O、C、N）星族间丰度差异的谜题。
• 量化在多样化星团样本中原始星族（P）、中间星族（I）和极端星族（E）的相对比例。
• 研究Na-O反相关斜率与星团金属量和光度（质量的代理指标）的依赖关系。
• 通过将观测到的丰度模式与污染AGB恒星的理论预测进行比较，检验核合成模型。

提出的方法

• 利用高分辨率FLAMES/GIRAFFE光谱测量15个球状星团中1,409颗红巨星的Fe、Na和O丰度。
• 采用同质化的光谱分析流程推导丰度，确保各星团间的一致性。
• 通过最小[O/Fe]和最大[Na/Fe]值量化Na-O反相关斜率。
• 将斜率与星团金属量[Fe/H]和绝对V波段星等（星团质量的代理指标）相关联，以推断污染恒星的质量。
• 利用稀释序列推断原始（未污染）的O和Na丰度，从而与核合成模型进行比较。
• 利用Strömgren测光验证氮丰度变化及其对颜色-星等图的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同金属量和质量的球状星团中，原始星族（P）、中间星族（I）和极端星族（E）的相对比例是多少？
• RQ2 Na-O反相关斜率在不同球状星团中如何变化，这对污染恒星的质量意味着什么？
• RQ3 极端星族（E）是否存在于所有大质量星团中，还是其存在还依赖于质量以外的其他星团参数？
• RQ4 P、I和E星族的空间分布差异程度如何，这对星团形成与演化有何启示？
• RQ5 观测到的Na-O反相关模式与大质量AGB恒星核合成预测的符合程度如何？

主要发现

• 原始星族（P）由类场星的丰度特征定义，在所研究的19个星团中均存在，约占总恒星数量的三分之一。
• 中间星族（I）构成星团的主体，占许多星团中观测到恒星的60–70%。
• 极端星族（E）并非存在于所有星团中，且在质量最大的星团中更为显著，尽管在47 Tuc和M15等大质量系统中其存在也并非必然。
• Na-O反相关斜率与星团金属量和绝对V波段星等均呈相关性，表明其系统性依赖于星团质量。
• 观测到的反相关斜率与大质量AGB恒星核合成预测在定性上一致但定量上不完全吻合，提示污染恒星的平均质量与星团总质量呈负相关。
• 在NGC 6752中，P星为N贫乏，位于颜色-星等图中一条紧密的蓝序列上，而I星（N富集）由于成分混合，表现出更宽的分布。