[论文解读] NGC 6388 reloaded: some like it hot, but not too much

E. Carretta, A. Bragaglia|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文引入了一种名为高温质子捕获核合成诊断工具（DOHT）的新型诊断工具，用于约束球状星团污染者中质子捕获核合成的峰值温度。基于迄今为止最大的同质丰度数据集（NGC 6388中185颗巨星），研究发现，在核心静止态条件下，氢燃烧温度介于约100–150 MK之间；若污染者为大质量渐近巨星分支星（AGB星），则温度范围为110–120 MK，表明其核合成过程已超出标准的Mg-Al处理。

ABSTRACT

Multiple stellar populations in globular clusters (GCs) are defined and recognized by their chemical signature, with second generation stars showing the effects of nucleosynthesis in the more massive stars of the earliest component formed in the first star formation burst. High temperature H-burning produces the whole pattern of (anti)-correlations among proton-capture elements widely found in GCs. However, where this burning occurred is still debated. Here we introduce new powerful diagnostic plots to detect evidence (if any) of products from proton-capture reactions occurring at very high temperatures. To test these Detectors Of High Temperature (in short DOHT) H-burning plots we show how to put stringent constraints on the temperature range of the first generation polluters that contributed to shape the chemistry of multiple stellar population in the massive bulge GC NGC 6388. Using the largest sample to date (185 stars) of giants with detailed abundance ratios in a single GC (except omega Cen) we may infer that the central temperature of part of the polluters must have been comprised between about 100 and about 150 million Kelvin (MK) if we consider hydrostatic H-burning in the core of massive stars. A much narrower range (110 to 120 MK) is inferred if the polluters can be identified in massive asymptotic giant branch (AGB) stars.

研究动机与目标

• 开发新的观测诊断方法，以探测球状星团污染者中极高温度（>100 MK）下质子捕获反应的核合成产物。
• 利用目前可获得的最大同质巨星丰度数据集，将这些诊断方法应用于大质量银晕球状星团NGC 6388。
• 约束负责多重恒星族化学模式的第一代污染者所处的温度范围。
• 检验NGC 6388中观测到的丰度异常是否可由大质量恒星或大质量AGB星中的静止态氢燃烧解释。
• 改进对多重恒星族系统中化学富集来源与机制的约束。

提出的方法

• 作者提出DOHT图，通过比较质子捕获元素（如[Ca/H]、[Sc/H]）与[Mg/H]的丰度比，以检测高温处理的痕迹。
• 利用欧洲南方天文台望远镜（ESO）的UVES和GIRAFFE高分辨率光谱数据，对NGC 6388中185颗红巨星进行分析。
• 在整个样本中采用同质光谱分析方法推导丰度比，最大限度减少系统误差。
• 将DOHT图与场星及其他球状星团（如NGC 2808）进行比较，识别出指示高温核合成的偏离特征。
• 利用不同温度（70–180 MK）下氢燃烧的理论模型，解释观测到的丰度模式。
• 通过将观测到的[Si/Fe]过量及Ca-Mg/Sc-Mg反相关性的缺失与预测的核合成产额进行匹配，获得约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 产生NGC 6388中观测到的丰度异常（特别是Si的过量及Ca/Sc反相关性的缺失）所需的温度范围是多少？
• RQ2 DOHT诊断图能否检测到球状星团污染者中超过100 MK的氢燃烧证据？
• RQ3 NGC 6388的化学模式最可能由大质量恒星核心的静止态氢燃烧，还是大质量AGB星中的氢燃烧解释？
• RQ4 NGC 6388中观测到的丰度比与NGC 2808等其他星团相比如何，而NGC 2808中已知存在极端核合成？
• RQ5 DOHT方法在多大程度上能约束富集了星团内介质的污染星体的物理条件？

主要发现

• DOHT图显示，NGC 6388中Ca和Sc的丰度在相似金属度下与场星高度一致，表明这些元素未经历显著的高温处理。
• NGC 6388中观测到的Si过量表明氢燃烧温度超过100 MK，与高级质子捕获反应一致。
• 为重现NGC 6388中观测到的Si过量及Ca/Sc反相关性的缺失，大质量恒星核心中氢燃烧所需的温度范围约为100–150 MK。
• 若污染者被认定为大质量AGB星，则温度范围缩小至110–120 MK，因为这些恒星在对流包层底部无法达到超过约120 MK的温度。
• NGC 6388中未观测到极端K过量，与NGC 2808不同，支持其污染者未经历超过150 MK高温的结论。
• 本研究证明，大规模且同质的丰度数据集可实现对球状星团污染者核合成峰值温度的精确约束。