[论文解读] The first stages of the evolution of Globular Clusters

F. D’Antona, P. Ventura+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文回顾了球状星团（GC）化学异常的渐近增生支（AGB）自富集模型，提出在最初约100 Myr内，大质量AGB恒星将CNO处理过的物质注入星团，导致第二代恒星出现异常的元素丰度。关键证据来自水平分支形态，特别是NGC 6441和NGC 2808，其中富含氦的星族（Y > 0.35）可解释延伸的红团和长周期RR Lyrae变星。

ABSTRACT

The majority of the inhomogeneities in the chemical composition of Globular Cluster (GC) stars appear due to primordial enrichment. The most studied model today claims that the ejecta of Asymptotic Giant Branch (AGB) stars of high mass -those evolving during the first ~100Myr of the Clusters life- directly form a second generation of stars with abundance anomalies. In this talk, we review the status of the art with regard to this model, whose major problems are i) the modelling of the chemical anomalies is still not fully complete, and ii) it requires an IMF peculiarly enhanced in the intermediate mass stars. The model predicts enhanced helium abundance in the stars showing chemical anomalies, and the helium abundance distribution can be roughly derived from the morphology of the horizontal branch. Such distribution may possibly help to falsify the model for the first phases of evolution of GCs. As an illustration, we compare the results of the analysis of the HB morphology of some clusters.

研究动机与目标

• 评估AGB自富集模型是否为球状星团恒星化学异常的主要机制。
• 评估水平分支恒星中观测到的氦丰度分布是否可证伪或支持AGB模型。
• 调和47 Tuc等星团中富含氦恒星比例与观测到的CN丰度模式之间的矛盾。
• 探讨可变初始质量函数和原始星团质量对第一代恒星存活的影响。

提出的方法

• 利用富含氦的恒星星族进行合成水平分支（HB）建模，以匹配金属丰度较高的球状星团的观测HB形态。
• 将NGC 6441、NGC 6388、47 Tuc等星团的观测HB光度函数与模拟分布进行比较，推断氦丰度分布。
• 基于光度测量数据和合成模型进行氦历史分析，推导出Y > 0.25、Y > 0.33和Y > 0.35的恒星比例。
• 分析不同演化阶段（主序蓝翼、亚巨星）恒星中异常元素丰度（O/Fe、CNO、Na）的分布，以约束核合成来源。
• 在AGB恒星模型中引入热底对流（HBB）和第三次上翻过程（third dredge-up）效应，以预测包层成分。
• 将替代模型（如快速旋转的大质量恒星和混合云情景）与观测约束进行对比评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团恒星中观测到的化学异常是否可由大质量AGB恒星的自富集解释？
• RQ2 为产生足够AGB物质喷射以形成第二代恒星，所需的初始质量函数（IMF）为何种形式？
• RQ3 从水平分支形态推断出的氦丰度分布是否支持AGB自富集模型？
• RQ4 为何NGC 6441和NGC 2808等星团中存在显著比例的Y > 0.35恒星，这与观测到的HB形态有何关联？
• RQ5 47 Tuc中观测到的CN强与CN弱恒星比例是否可与HB建模推导出的氦历史相容？

主要发现

• AGB自富集模型预测化学异常恒星中存在增强的氦丰度，其中富含氦的星族（Y > 0.35）在NGC 6441中约占14%，在NGC 6388中约占20%。
• NGC 6441中延伸的红团和长周期RR Lyrae变星最可能由Y = 0.25至Y ≈ 0.27的氦不连续性解释，与AGB富集一致。
• NGC 6441的观测HB形态在高亮度处表现出显著的红团恒星过剩，表明存在高光度、富含氦的星族。
• NGC 6441中Y > 0.35的恒星比例（14%）与NGC 2808中Y ≈ 0.4的恒星比例（15%）相近，提示极端氦富集可能有共同起源。
• 47 Tuc中存在矛盾：仅有25%的恒星Y > 0.25，但CN强与CN弱恒星比例大致相等，暗示需要更高的原始氦含量或替代机制。
• 该模型表明原始球状星团可能远比现今星团更质量更大，且第一代恒星有显著损失，从而解决了初始质量函数异常问题。