[论文解读] Population synthesis to constrain Galactic and Stellar Physics- I- Determining age and mass of thin-disc red-giant stars

N. Lagarde, A. C. Robin+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用 22

一句话总结

本文提出了一种新的星族合成模型，采用 STAREVOL 代码更新的恒星演化轨道，其中包含热盐流混合过程，使能够通过表面 [C/N] 含量比准确估算薄盘红巨星分支星群的年龄和质量。其主要贡献在于推导出与金属量相关的经验关系，将 [C/N] 与恒星质量及年龄关联，并通过星震学和光谱学数据进行了验证。当考虑内部混合过程时，年龄测定的准确性显著提高。

ABSTRACT

The cornerstone mission Gaia, together with complementary surveys, will revolutionize our understanding of the formation and history of our Galaxy, providing accurate stellar masses, radii, ages, distances, as well as chemical properties for a very large sample of stars across different Galactic stellar populations.Using an improved population synthesis approach and new stellar evolution models we attempt to evaluate the possibility of deriving ages and masses of clump stars from their chemical properties.A new version of the Besancon Galaxy model (BGM) uses new stellar evolutionary tracks computed with STAREVOL.These provide chemical and seismic properties from the PMS to the early-AGB.For the first time, the BGM can explore the effects of an extra-mixing occurring in red-giant stars.In particular we focus on the effects of thermohaline instability on chemical properties as well as on the determination of stellar ages and masses using the surface [C/N] abundance ratio.The impact of extra-mixing on 3He, 12C/13C, N, and [C/N] abundances along the giant branch is quantified.We underline the crucial contribution of asteroseismology to discriminate between evolutionary states of field giants belonging to the Galactic disc.The inclusion of thermohaline instability has a significant impact on 12C/13C,3He as well as on the [C/N] values.We show the efficiency of thermohaline mixing at different metallicities and its influence on the determined stellar mass and age from the observed [C/N] ratio.We then propose simple relations to determine ages and masses from chemical abundances according to these models.We emphasize the usefulness of population synthesis tools to test stellar models and transport processes inside stars.We show that transport processes occurring in red-giant stars should be taken into account in the determination of ages for future Galactic archaeology studies.(abridged)

研究动机与目标

• 利用化学丰度比改进薄盘红巨星的年龄与质量测定。
• 评估热盐流不稳定性在红巨星分支演化过程中对表面丰度（如 [C/N]、12C/13C、3He）的影响。
• 为银河系考古研究开发 [C/N] 与恒星质量/年龄之间的金属量依赖经验关系。
• 通过星震学验证区分场星红巨星演化状态的能力。
• 在考虑选择偏差与群体内在弥散的前提下，利用表面化学特性校准恒星年龄估计。

提出的方法

• 使用改进版的 Besançon 星系模型（BGM），整合从主序前到早期渐近巨星支的 STAREVOL 恒星演化轨道。
• 恒星演化模型包含热盐流不稳定性效应，计算质量范围为 0.6 至 6.0 M⊙，共五个金属量（Z = 0.0001 至 0.04）。
• 模型为每条演化轨道计算全局、化学（包括 54 种同位素与核素）及星震学性质（Δν、νmax、ΔΠℓ=1）。
• 生成模拟恒星星表，并与 Gaia、CoRoT、Kepler、K2 和 APOGEE 的观测数据进行比较，以约束模型物理解释。
• 通过在不同金属量区间内进行统计拟合，推导 [C/N] 与质量/年龄之间的关系，同时考虑群体弥散与选择效应。
• 通过将预测的 [C/N] 分布与观测数据（特别是不同 [Fe/H] 区间内团星）进行比较，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 热盐流混合如何影响不同金属量下红巨星的表面丰度（如 [C/N]、12C/13C、3He）？
• RQ2 对于团星，[C/N] 丰度比能否可靠地用于推断恒星质量与年龄？其依赖关系如何随金属量变化？
• RQ3 星震学在区分场红巨星演化状态方面的改进程度如何？
• RQ4 选择效应与群体内在弥散如何影响基于 [C/N] 的年龄与质量估计的可靠性？
• RQ5 在银河系考古研究中，包含热盐流混合对年龄测定准确性的提升作用有多大？

主要发现

• 热盐流混合显著改变红巨星的表面 12C/13C、[C/N] 与 3He 丰度，尤其在通过转折点之后，且在所有金属量下均产生可测量影响。
• [C/N] 比值在上红巨星分支星中因热盐流混合而呈现强烈弥散，但在团星中趋于稳定，从而实现可靠的年龄与质量估计。
• 对于团星，推导出金属量依赖关系：质量 = 15.66·[C/N]² + 11.27·[C/N] + 2.887（适用于 -0.20 ≤ [Fe/H] ≤ -0.10），其他金属量区间亦有类似方程。
• 年龄通过 log(年龄[yr]) = 1.932·[C/N]² + 7.904·[C/N] + 13.27 估算（适用于 -0.20 ≤ [Fe/H] ≤ -0.10），其他金属量范围使用不同的系数。
• 引入热盐流混合可显著降低年龄与质量估计中的系统误差，使其与星震学数据更加一致。
• 模型表明，星震学对于区分演化阶段至关重要，尤其在区分团星与上红巨星分支星时，[C/N] 的可靠性较低。