水平分支星壳层质量的分布与金属丰度的关系研究

雷振新

(1.邵阳学院 理学院,湖南 邵阳,422000；2.中国科学院国家天文台 光学天文重点实验室，北京，100012)



水平分支星壳层质量的分布与金属丰度的关系研究

雷振新1,2

(1.邵阳学院 理学院,湖南 邵阳,422000；2.中国科学院国家天文台 光学天文重点实验室，北京，100012)

水平分支星的壳层质量决定了恒星在水平分支的位置，进而决定了星团的水平分支形状。利用MESA恒星演化程序研究了球状星团水平分支星的壳层质量随着金属丰度变化的关系。我们发现，由于不透明度以及零年龄主序质量的减小，低金属丰度球状星团中的水平分支星往往拥有更薄的壳层质量和更高的有效温度。同时，随着金属丰度的增加，产生蓝端水平分支星的壳层质量空间变小，这说明金属丰度低的球状星团更容易产生蓝端水平分支星。

水平分支星； 球状星团；壳层质量

球状星团水平分支星是红巨星的后续演化，他们的中心正在进行氦元素的聚变反应。水平分支星一般包含红端水平分支星，天琴座RR变星，蓝端水平分支星以及极端水平分支星[1,2]。水平分支星的表面有效温度是由它的壳层质量所决定，壳层质量厚的水平分支星温度低，而壳层质量薄的水平分支星温度高。因此，水平分支星的壳层质量决定了它们在球状星团颜色-星等图上的位置，进而决定了水平分支的形状。球状星团的水平分支形状的决定因素一直以来都是天体物理领域研究的热门领域之一，它对于我们理解恒星的星风机制、小质量恒星的演化以及星团的形成和演化都有着重要的意义[3,4]。

水平分支是红巨星在丢掉部分壳层质量并经历氦闪后所处的演化状态，所以水平分支星的壳层质量和恒星在红巨星阶段的星风有关。同时，不同的金属丰度和氦丰度的球状星团，在相同年龄下，能落在水平分支上的恒星初始质量也不同。因此，这些参数都是影响水平分支星壳层质量的重要因素，也是影响球状星团水平分支形状的重要因素。在本文中，利用了MESA恒星演化程序[5-7]研究了金属丰度对水平分支星壳层质量分布的影响，同时还研究了产生蓝端水平分支星所需的壳层质量分布空间与金属丰度的关系。第1节介绍了MESA恒星演化程序，以及构造模型所采用的方法；第2节介绍了我们的主要研究结果；最后一节进行了总结与讨论。

1 MESA恒星演化程序和模型构造

MESA是目前比较流行的恒星演化程序，它加入了最新的恒星演化物理模块，而且它能够把一个小质量恒星(如小于2.2M⊙)从零年龄主序演化到白矮星，并能顺利通过氦闪，这是以前很多恒星演化程序做不到的。同时，MESA程序能够比较方便的构造各种不同化学丰度的零年龄主序模型，零年龄水平分支模型，白矮星模型等。这也使得我们利用MESA来研究水平分星的壳层质量变得十分方便。

利用MESA程序中的“create_zahb”模块来构造水平分支星模型。为了研究金属丰度对水平分支星壳层质量的影响，在计算中采用了4种金属丰度，分别为Z=0.04,0.02,0.004和0.0001。对于每一种金属丰度，计算了大约15个水平分支星模型，它们的壳层质量从0.6M⊙到0.0001M⊙不等。构造好这些零年龄水平分支模型后，得到了每一个模型所对应的壳层质量、有效温度、光度、重力加速度等参数。同时，我们还利用了已有的光谱库[8,9]，把有效温度转换成了颜色，方便和观测进行对比。

2 主要研究结果

图1给出了4种不同金属丰度下，水平分支星壳层质量随着颜色变化的关系图。在图1中，横坐标是恒星的颜色(即是恒星的温度，颜色越蓝温度越高)，纵坐标是水平分支星取对数后的壳层质量。从上到下，虚线、点划线、实线和点线分别代表了金属丰度为0.0001、0.004、0.02和0.04的球状星团中水平分支星的壳层质量随颜色的分布。图中两条红色的竖直虚线之间的区域代表着水平分支天琴座RR变星所在的区域，即RR脉动不稳定带(0.2 < B-V < 0.4)[1]。脉动不稳定带的右边是水平分支的红端，而脉动不稳定带的左边是水平分支的蓝端。

从图1中可以清楚的看到，金属丰度越低的水平分支星比落在同一位置上(即具有相同有效温度)金属丰度高的水平分支星的壳层质量要厚。也就是说，如果具有相同的壳层质量，金属丰度低的水平分支星的有效温度比金属丰度高的水平分支星要高。这是因为金属丰度低的恒星大气层的不透明度小，光子更容易从恒星内部逃逸到表面所造成的。同时，在相同年龄条件下，金属丰度低的恒星具有更小的零年龄主序质量，在经历了红巨星阶段的星风损失后，它们落在水平分支上时的壳层质量一般会比金属丰度高的水平分支星要小。基于这两种原因，金属丰度低的恒星会更加容易地落在水平分支温度高的区域，如水平分支的蓝端和极端。

图1 不同金属丰度下水平分支星的壳层质量与恒星颜色的关系Fig.1 The relationship between envelope mass of horizontal branch stars and stellar colors

为了更清楚地说明这一问题，我们在图2中给出了产生水平分支蓝端所需的壳层质量空间随金属丰度变化的关系。图2的横坐标为用[Fe/H]表示的金属丰度，[Fe/H]越大，金属丰度越高，反之越低，纵坐标为水平分支星的壳层质量。图中实线代表着各种金属丰度要产生有效温度为log10(Teff)=3.85的水平分支星所对应的壳层质量，虚线代表着要产生有效温度为log10(Teff)=4.0的水平分支星所需要的壳层质量，而点划线代表着要产生有效温度为log10(Teff)=4.3的水平分支星所需要的壳层质量。一般把蓝端水平分支星的温度范围定在大约是3.85 < log10(Teff)< 4.3[1]。从图2中可以看到，随着金属丰度的增大，产生蓝端水平分支星所需的壳层质量空间明显变小，即从最小金属丰度的0.09M⊙减小到最大金属丰度的0.015M⊙。也就是说，金属丰度低的球状星团更容易产生蓝端水平分支星，该结论和我们在图1中得到的结论是一致的。

图2 产生蓝端水平分支星所需的壳层质量空间随金属丰度变化的关系Fig.2 The range of envelope mass to produce blue horizontal branch stars for different metallicities

3 总结与讨论

在本文中，研究了球状星团水平分支星的壳层质量和金属丰度之间的关系。利用MESA恒星演化程序来构造了一批水平分支星的模型，并得到它们的壳层质量、有效温度、光度和重力加速度等信息，并把有效温度转换成了颜色。发现金属丰度低的水平分支星在相同壳层质量情况下比金属丰度高的水平分支星具有更高的有效温度。同时，随着金属丰度的增大，产生蓝端水平分支星所需的壳层质量空间变小，这意味着金属丰度低的球状星团中更容易产生蓝端水平分支星。目前，观测上发现，绝大部分金属丰度越低的球状星团的水平分支越蓝，即蓝端水平分支星所占的比重越大，这和我们在本文中的研究结果是相符的。然而，人们还发现了在少数几个球状星团(如NGC6388和NGC6441)[10]中，尽管他们的金属丰度很高，但是仍然有很多蓝端水平分支星甚至极端水平分支星的出现，这说明可能还存在一些其他的因素在影响着蓝端水平分支星产生，这需要更加精确的观测数据和更深入的研究。

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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

国家自然科学基金资助项目(11503016);湖南省教育厅优秀青年项目(15B214)

雷振新(1983-)，男，湖南邵阳人。讲师，博士，从事恒星演化及恒星光谱分析研究。E-mail：zxlei@nao.cas.cn。

TG174.4

A