[论文解读] RR Lyrae variables in Galactic globular clusters - I: The observational scenario

M. Castellani, F. Caputo+1 more|ArXiv.org|Aug 25, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 22被引用 28

一句话总结

本文重新分析了32個銀河球狀星團中RR Lyrae變星的觀測數據，這些星團的週期與脈動模式均有精確測量，發現不穩定帶的溫度寬度在很大程度上與金屬量無關。研究提供了強烈證據，表明Oosterhoff二分法主要源於不穩定帶『OR區』內的脈動模式切換機制，而非金屬量依賴的光度變化，且脈動星質量可補償理論預測的光度趨勢。

ABSTRACT

In this paper we revisit observational data concerning RR Lyrae stars in Galactic globular clusters, presenting frequency histograms of fundamentalized periods for the 32 clusters having more than 12 pulsators with well recognized period and pulsation mode. One finds that the range of fundamentalized periods covered by the variables in a given cluster remains fairly constant in varying the cluster metallicity all over the metallicity range spanned by the cluster sample, with the only two exceptions given by M15 and NGC6441. We conclude that the width in temperature of the RR Lyrae instability strip appears largely independent of the cluster metallicity. At the same time, it appears that the fundamentalized periods are not affected by the predicted variation of pulsators luminosity with metal abundance, indicating the occurrence of a correlated variation in the pulsator mass. We discuss mean periods in a selected sample of statistically significant "RR rich" clusters with no less than 10 RRab and 5 RRc variables. One finds a clear evidence for the well known Oosterhoff dichotomy in the mean period of ab-type variables, together with a similarly clear evidence for a constancy of the mean fundamentalized period in passing from Oosterhoff type II to type I clusters. On this basis, the origin of the Oosterhoff dichotomy is discussed, presenting evidence against a strong dependence of the RR Lyrae luminosity on the metal content.

研究动机与目标

• 使用現代高精度週期與模式測量，重新表達銀河球狀星團中RR Lyrae星的觀測數據。
• 調查觀測到的Oosterhoff二分法（平均脈動週期差異）是否源於金屬量依賴的光度變化，或脈動模式的改變。
• 評估星團金屬量在塑造RR Lyrae變星週期分佈中的角色，特別是在不穩定帶溫度寬度的脈絡下。
• 透過將合成水平分支（SHB）模擬與觀測到的週期頻率直方圖及平均週期比較，為未來理論建模提供觀測基礎。

提出的方法

• 整理32個球狀星團的週期頻率直方圖，這些星團中至少有12顆RR Lyrae星具有明確識別的週期與脈動模式。
• 將所有週期轉換為基 mode（fundamental mode）週期，以實現不同脈動模式間的直接比較。
• 統計選擇26個星團，要求至少10顆RRab與5顆RRc變星，以確保平均週期分析具有足夠的資料顯著性。
• 比較Oosterhoff類型I與II星團之間的觀測週期分佈與平均週期，以檢驗金屬量驅動的光度效應。
• 使用具有不同質量與光度分佈的合成水平分支（SHB）模型，模擬在不穩定帶溫度範圍假設不同的週期與模式分佈。
• 分析Nc/Ntot比率（第一次諧波對總RR Lyrae星數之比）及其與基 mode 與第一次諧波脈動邊界有效溫度差異的相關性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在觀測範圍內，RR Lyrae不穩定帶的寬度是否顯著隨星團金屬量而變化？
• RQ2 觀測到的Oosterhoff二分法（平均RRab週期差異）是否由金屬量依賴的脈動星光度變化驅動，或由脈動模式切換引起？
• RQ3 第一階諧波（RRc）脈動星在Oosterhoff類型I與II星團中的相對豐度如何變化？這對不穩定帶結構有何含義？
• RQ4 觀測到的< Pab >與< Pf >週期之間的差異在多大程度上支持不穩定帶『OR區』內的模式切換機制？
• RQ5 若脈動星質量與光度及金屬量以相關方式變化，觀測到的週期分佈是否仍可與理論預測一致？

主要发现

• 在樣本覆蓋的金屬量範圍內，單一星團中基 mode 週期的範圍幾乎保持不變，僅有兩例例外（M15與NGC6441），表明RR Lyrae不穩定帶的溫度寬度在很大程度上與金屬量無關。
• 觀測到的週期分佈不受脈動星光度預期金屬量依賴性的影響，顯示脈動星質量的相關變化可補償理論預測的光度趨勢。
• 明確確認了RRab變星平均週期< Pab >的Oosterhoff二分法：OoI星團的< Pab > ≈ 0.6天（log < Pab > ≈ -0.22），而OoII星團的平均週期更長。
• 當由Oosterhoff類型II過渡至類型I星團時，平均基 mode 週期< Pf >保持不變，表明不穩定帶的有效溫度範圍與金屬量無關。
• 觀測到的< Pab >與< Pf >之間的差異與『OR區』內的模式切換機制一致：OoI星團以基 mode 脈動，OoII星團以第一階諧波模式脈動。
• M3（OoI）與M15（OoII）星團中第一階諧波脈動星的相對豐度與週期頻率直方圖支持一種情境：兩類星團的不穩定帶溫度範圍相似，但脈動模式差異源於水平分支的演化與結構效應。