[论文解读] The chemical composition of red giants in 47 Tucanae I: Fundamental parameters and chemical abundance patterns

A. O. Thygesen, L. Sbordone+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 110被引用 27

一句话总结

本研究利用一维局部热动平衡（1D LTE）和非局部热动平衡（NLTE）模型，对球状星团 47 Tucanae 中的 13 颗红巨星进行了高精度的光谱分析，测定了 27 种元素的丰度。研究证实了 Na-O 反相关关系，并发现 NLTE 修正显著减小了推断出的 [Al/Fe] 散布，表明以往的 LTE 分析可能高估了铝的变异程度，且在铁峰元素和 s-过程元素中均未发现内在变异的证据。

ABSTRACT

Context: The study of chemical abundance patterns in globular clusters is of key importance to constrain the different candidates for intra-cluster pollution of light elements. Aims: We aim at deriving accurate abundances for a large range of elements in the globular cluster 47 Tucanae (NGC 104) to add new constraints to the pollution scenarios for this particular cluster, expanding the range of previously derived element abundances. Methods: Using tailored 1D LTE atmospheric models together with a combination of equivalent width measurements, LTE, and NLTE synthesis we derive stellar parameters and element abundances from high-resolution, high signal-to-noise spectra of 13 red giant stars near the tip of the RGB. Results: We derive abundances of a total 27 elements (O, Na, Mg, Al, Si, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, Ru, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Eu, Dy). Departures from LTE were taken into account for Na, Al and Ba. We find a mean [Fe/H] = $-0.78\pm0.07$ and $[α/{ m Fe}]=0.34\pm0.03$ in good agreement with previous studies. The remaining elements show good agreement with the literature, but the inclusion of NLTE for Al has a significant impact on the behaviour of this key element. Conclusions: We confirm the presence of an Na-O anti-correlation in 47 Tucanae found by several other works. Our NLTE analysis of Al shifts the [Al/Fe] to lower values, indicating that this may be overestimated in earlier works. No evidence for an intrinsic variation is found in any of the remaining elements.

研究动机与目标

• 为球状星团 47 Tucanae 中红巨星的多种元素推导准确的恒星基本参数和化学丰度。
• 评估非局部热动平衡（NLTE）效应对关键轻元素（尤其是铝）的影响，而铝是污染情景模型的核心。
• 检验铁峰、s-过程和 r-过程元素是否存在内在丰度变异，并评估该星团的金属丰度和 α-元素增强程度。
• 为解释球状星团中轻元素丰度变异的机制（特别是自污染情景）提供更精确的约束。
• 建立一个基准数据集，以供未来与其他星团比较，并用于解释致密星族系统中的多星族现象。

提出的方法

• 使用欧洲南方天文台甚大望远镜在帕拉纳天文台获取了高分辨率、高信噪比的光谱数据。
• 通过定制的一维 LTE 模型大气和光谱线分析，推导出恒星大气参数（Teff, log g, [Fe/H]）。
• 通过等效宽度测量和光谱合成计算丰度，并对 Na、Al 和 Ba 的谱线应用 NLTE 修正。
• 结合使用 LTE 和 NLTE 合成技术以确保准确性，尤其针对强线重叠和非局部热动平衡效应显著的元素。
• 相对于铁计算丰度比，并检查有效温度下的趋势以检测虚假变异。
• 使用统计检验评估观测到的丰度变异的显著性，重点识别元素比值的内在散布。

实验结果

研究问题

• RQ1 当非局部热动平衡（NLTE）效应被适当地考虑时，47 Tucanae 中铝丰度的真实变异水平是什么？
• RQ2 在严格的 NLTE 分析下，47 Tucanae 中观测到的 Na-O 反相关关系是否仍然存在，这对星团多星族的形成意味着什么？
• RQ3 47 Tucanae 中是否存在铁峰元素或 s-过程/nr-过程元素的内在变异，表明其具有复杂的富集历史？
• RQ4 与以往研究相比，所推导的丰度如何，特别是在金属丰度和 α-元素增强方面？
• RQ5 NLTE 修正在多大程度上减小了丰度比的离散度，这对解释球状星团中丰度散布的解释有何启示？

主要发现

• 47 Tucanae 的平均金属丰度为 [Fe/H] = -0.78 ± 0.07，与以往高精度研究结果一致。
• α-元素增强量为 [α/Fe] = 0.34 ± 0.03，表明其处于高金属丰度、α-元素丰富的环境，与早期恒星形成一致。
• 确认了 Na-O 反相关关系，富 Na 星星表现出氧的贫化，这是球状星团中多星族的典型特征。
• 对 Al 的 NLTE 修正使观测到的 [Al/Fe] 散布减小约两倍，表明以往的 LTE 分析可能高估了铝的内在散布。
• 在铁峰元素（如 Cr、Mn、Ni、Zn）、s-过程元素（Y、Zr、Ba、La、Ce、Pr、Nd）或 r-过程元素（Eu、Dy）中均未发现显著的内在变异，表明这些元素具有单金属丰度特性。
• s-过程元素（如 Ba、La）相对于 Eu 的丰度比表明 s-过程贡献存在，但不如其他一些星团中显著，Ba 的增强水平与 Eu 相当。