水平分支星殼層質(zhì)量的分布與金屬豐度的關(guān)系研究

雷振新

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 理學(xué)院,湖南 邵陽(yáng),422000；2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100012)

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水平分支星殼層質(zhì)量的分布與金屬豐度的關(guān)系研究

雷振新1,2

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 理學(xué)院,湖南 邵陽(yáng),422000；2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100012)

水平分支星的殼層質(zhì)量決定了恒星在水平分支的位置，進(jìn)而決定了星團(tuán)的水平分支形狀。利用MESA恒星演化程序研究了球狀星團(tuán)水平分支星的殼層質(zhì)量隨著金屬豐度變化的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，由于不透明度以及零年齡主序質(zhì)量的減小，低金屬豐度球狀星團(tuán)中的水平分支星往往擁有更薄的殼層質(zhì)量和更高的有效溫度。同時(shí)，隨著金屬豐度的增加，產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星的殼層質(zhì)量空間變小，這說(shuō)明金屬豐度低的球狀星團(tuán)更容易產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星。

水平分支星； 球狀星團(tuán)；殼層質(zhì)量

球狀星團(tuán)水平分支星是紅巨星的后續(xù)演化，他們的中心正在進(jìn)行氦元素的聚變反應(yīng)。水平分支星一般包含紅端水平分支星，天琴座RR變星，藍(lán)端水平分支星以及極端水平分支星[1,2]。水平分支星的表面有效溫度是由它的殼層質(zhì)量所決定，殼層質(zhì)量厚的水平分支星溫度低，而殼層質(zhì)量薄的水平分支星溫度高。因此，水平分支星的殼層質(zhì)量決定了它們?cè)谇驙钚菆F(tuán)顏色-星等圖上的位置，進(jìn)而決定了水平分支的形狀。球狀星團(tuán)的水平分支形狀的決定因素一直以來(lái)都是天體物理領(lǐng)域研究的熱門(mén)領(lǐng)域之一，它對(duì)于我們理解恒星的星風(fēng)機(jī)制、小質(zhì)量恒星的演化以及星團(tuán)的形成和演化都有著重要的意義[3,4]。

水平分支是紅巨星在丟掉部分殼層質(zhì)量并經(jīng)歷氦閃后所處的演化狀態(tài)，所以水平分支星的殼層質(zhì)量和恒星在紅巨星階段的星風(fēng)有關(guān)。同時(shí)，不同的金屬豐度和氦豐度的球狀星團(tuán)，在相同年齡下，能落在水平分支上的恒星初始質(zhì)量也不同。因此，這些參數(shù)都是影響水平分支星殼層質(zhì)量的重要因素，也是影響球狀星團(tuán)水平分支形狀的重要因素。在本文中，利用了MESA恒星演化程序[5-7]研究了金屬豐度對(duì)水平分支星殼層質(zhì)量分布的影響，同時(shí)還研究了產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星所需的殼層質(zhì)量分布空間與金屬豐度的關(guān)系。第1節(jié)介紹了MESA恒星演化程序，以及構(gòu)造模型所采用的方法；第2節(jié)介紹了我們的主要研究結(jié)果；最后一節(jié)進(jìn)行了總結(jié)與討論。

1 MESA恒星演化程序和模型構(gòu)造

MESA是目前比較流行的恒星演化程序，它加入了最新的恒星演化物理模塊，而且它能夠把一個(gè)小質(zhì)量恒星(如小于2.2M⊙)從零年齡主序演化到白矮星，并能順利通過(guò)氦閃，這是以前很多恒星演化程序做不到的。同時(shí)，MESA程序能夠比較方便的構(gòu)造各種不同化學(xué)豐度的零年齡主序模型，零年齡水平分支模型，白矮星模型等。這也使得我們利用MESA來(lái)研究水平分星的殼層質(zhì)量變得十分方便。

利用MESA程序中的“create_zahb”模塊來(lái)構(gòu)造水平分支星模型。為了研究金屬豐度對(duì)水平分支星殼層質(zhì)量的影響，在計(jì)算中采用了4種金屬豐度，分別為Z=0.04,0.02,0.004和0.0001。對(duì)于每一種金屬豐度，計(jì)算了大約15個(gè)水平分支星模型，它們的殼層質(zhì)量從0.6M⊙到0.0001M⊙不等。構(gòu)造好這些零年齡水平分支模型后，得到了每一個(gè)模型所對(duì)應(yīng)的殼層質(zhì)量、有效溫度、光度、重力加速度等參數(shù)。同時(shí)，我們還利用了已有的光譜庫(kù)[8,9]，把有效溫度轉(zhuǎn)換成了顏色，方便和觀(guān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。

2 主要研究結(jié)果

圖1給出了4種不同金屬豐度下，水平分支星殼層質(zhì)量隨著顏色變化的關(guān)系圖。在圖1中，橫坐標(biāo)是恒星的顏色(即是恒星的溫度，顏色越藍(lán)溫度越高)，縱坐標(biāo)是水平分支星取對(duì)數(shù)后的殼層質(zhì)量。從上到下，虛線(xiàn)、點(diǎn)劃線(xiàn)、實(shí)線(xiàn)和點(diǎn)線(xiàn)分別代表了金屬豐度為0.0001、0.004、0.02和0.04的球狀星團(tuán)中水平分支星的殼層質(zhì)量隨顏色的分布。圖中兩條紅色的豎直虛線(xiàn)之間的區(qū)域代表著水平分支天琴座RR變星所在的區(qū)域，即RR脈動(dòng)不穩(wěn)定帶(0.2 < B-V < 0.4)[1]。脈動(dòng)不穩(wěn)定帶的右邊是水平分支的紅端，而脈動(dòng)不穩(wěn)定帶的左邊是水平分支的藍(lán)端。

從圖1中可以清楚的看到，金屬豐度越低的水平分支星比落在同一位置上(即具有相同有效溫度)金屬豐度高的水平分支星的殼層質(zhì)量要厚。也就是說(shuō)，如果具有相同的殼層質(zhì)量，金屬豐度低的水平分支星的有效溫度比金屬豐度高的水平分支星要高。這是因?yàn)榻饘儇S度低的恒星大氣層的不透明度小，光子更容易從恒星內(nèi)部逃逸到表面所造成的。同時(shí)，在相同年齡條件下，金屬豐度低的恒星具有更小的零年齡主序質(zhì)量，在經(jīng)歷了紅巨星階段的星風(fēng)損失后，它們落在水平分支上時(shí)的殼層質(zhì)量一般會(huì)比金屬豐度高的水平分支星要小。基于這兩種原因，金屬豐度低的恒星會(huì)更加容易地落在水平分支溫度高的區(qū)域，如水平分支的藍(lán)端和極端。

圖1 不同金屬豐度下水平分支星的殼層質(zhì)量與恒星顏色的關(guān)系Fig.1 The relationship between envelope mass of horizontal branch stars and stellar colors

為了更清楚地說(shuō)明這一問(wèn)題，我們?cè)趫D2中給出了產(chǎn)生水平分支藍(lán)端所需的殼層質(zhì)量空間隨金屬豐度變化的關(guān)系。圖2的橫坐標(biāo)為用[Fe/H]表示的金屬豐度，[Fe/H]越大，金屬豐度越高，反之越低，縱坐標(biāo)為水平分支星的殼層質(zhì)量。圖中實(shí)線(xiàn)代表著各種金屬豐度要產(chǎn)生有效溫度為log10(Teff)=3.85的水平分支星所對(duì)應(yīng)的殼層質(zhì)量，虛線(xiàn)代表著要產(chǎn)生有效溫度為log10(Teff)=4.0的水平分支星所需要的殼層質(zhì)量，而點(diǎn)劃線(xiàn)代表著要產(chǎn)生有效溫度為log10(Teff)=4.3的水平分支星所需要的殼層質(zhì)量。一般把藍(lán)端水平分支星的溫度范圍定在大約是3.85 < log10(Teff)< 4.3[1]。從圖2中可以看到，隨著金屬豐度的增大，產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星所需的殼層質(zhì)量空間明顯變小，即從最小金屬豐度的0.09M⊙減小到最大金屬豐度的0.015M⊙。也就是說(shuō)，金屬豐度低的球狀星團(tuán)更容易產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星，該結(jié)論和我們?cè)趫D1中得到的結(jié)論是一致的。

圖2 產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星所需的殼層質(zhì)量空間隨金屬豐度變化的關(guān)系Fig.2 The range of envelope mass to produce blue horizontal branch stars for different metallicities

3 總結(jié)與討論

在本文中，研究了球狀星團(tuán)水平分支星的殼層質(zhì)量和金屬豐度之間的關(guān)系。利用MESA恒星演化程序來(lái)構(gòu)造了一批水平分支星的模型，并得到它們的殼層質(zhì)量、有效溫度、光度和重力加速度等信息，并把有效溫度轉(zhuǎn)換成了顏色。發(fā)現(xiàn)金屬豐度低的水平分支星在相同殼層質(zhì)量情況下比金屬豐度高的水平分支星具有更高的有效溫度。同時(shí)，隨著金屬豐度的增大，產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星所需的殼層質(zhì)量空間變小，這意味著金屬豐度低的球狀星團(tuán)中更容易產(chǎn)生藍(lán)端水平分支星。目前，觀(guān)測(cè)上發(fā)現(xiàn)，絕大部分金屬豐度越低的球狀星團(tuán)的水平分支越藍(lán)，即藍(lán)端水平分支星所占的比重越大，這和我們?cè)诒疚闹械难芯拷Y(jié)果是相符的。然而，人們還發(fā)現(xiàn)了在少數(shù)幾個(gè)球狀星團(tuán)(如NGC6388和NGC6441)[10]中，盡管他們的金屬豐度很高，但是仍然有很多藍(lán)端水平分支星甚至極端水平分支星的出現(xiàn)，這說(shuō)明可能還存在一些其他的因素在影響著藍(lán)端水平分支星產(chǎn)生，這需要更加精確的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和更深入的研究。

[1]CATELAN M.Horizontal branch stars: the interplay between observations and theory,and insights into the formation of the Galaxy [J].Ap&SS,2009,320(4): 261-309.

[2]HEBER U.Hot Subluminous Stars [J].PASP,2016,128,2001.

[3]GRATTON R G,CARRETTA E,BRAGAGLIA A,et al.The second and third parameters of the horizontal branch in globular clusters [J],A&A,2010,517,A81.

[4]LEI Zhexin,ZHAO Gang,ZENG Aihua,et al.A possible formation channel for blue hook stars in globular cluster - II.Effects of metallicity,mass ratio,tidal enhancement efficiency and helium abundance [J].MNRAS,2016,463:2449-2460.

[5]PAXTON B,BILDSTEN L,DOTTER A,et al.Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA) [J],ApJS,2011,192,3.

[6]PAXTON B,CANTIELLO Matteo,ARRAS Phil,et al.Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA): Planets,Oscillations,Rotation,and Massive Stars [J].ApJS,2013,208(4):1-43.

[7]PAXTON B,MARCHANT Pablo,SCHWAB Josiah,et al.Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA):Binaries,Pulsations,and Explosions [J].ApJS,2015,220(15):1-44.

[8]LEJEUNE T,CUISINIER F,BUSER R.Standard stellar library for evolutionary synthesis.I.Calibration of theoretical spectra [J],A&AS,1997,125(2):229-246.

[9]LEJEUNE T,CUISINIER F,BUSER R.A standard stellar library for evolutionary synthesis.II.The M dwarf extension [J],A&AS,1997,130(1): 229-246.

[10]RICH R M,SOSIN Craig,DJORGOVSKI S,et al.Discovery of Extended Blue Horizontal Branches in Two Metal-rich Globular Clusters [J],ApJ,1997,484: L25-28.

Study on the relationship between metallicity and the distribution of envelope mass for horizontal branch stars

LEI Zhenxin1,2

(1.School of Sciences,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.Key Laboratory for Optical Astronomy,National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012,China)

The position of horizontal branch(HB)stars in globular clusters(GCs)is determined by its envelope mass.Moreover,HB morphology depends on the positions of HB stars in a GC.We used the detailed stellar evolution code,MESA,to study the distribution of envelope mass for HB stars with different metallicities in GCs.We found that the envelope mass of HB stars is thinner and the temperature is higher in GCs with lower metallicities than the stars in GCs with higher metallicities,this is due to the fact that HB stars with lower metallicity has lower opacity and zero-age main sequence stellar mass.We also found that with metallicity becoming lower,the range of envelope mass to produce blue HB(BHB)stars becomes wider,which means that it is more easier to produce BHB stars in GCs with lower metallicity.

horizontal branch stars;globular cluster

1672-7010(2017)03-0081-04

2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11503016);湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目(15B214)

雷振新(1983-)，男，湖南邵陽(yáng)人。講師，博士，從事恒星演化及恒星光譜分析研究。E-mail：zxlei@nao.cas.cn。

TG174.4

A