[論文レビュー] A Detailed Spectroscopic and Photometric Analysis of DQ White Dwarfs

P. Dufour, Bergeron, P.+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、炭素を含む改良されたモデル大気を用いて、56個のDQ白色矮星の均一な分光および光度的分析を行い、有効温度と質量が、純ヘリウムモデルで過去に推定された値よりも顕著に低くなることが明らかになった。主な発見は、炭素の組み込みにより推定される温度と質量が低下し、それらがDB星の前身星とより整合的になること、またヘリウム層の厚さが log q(He) ≈ -3 から -2 の範囲にあることが示唆されることである。一方、約6000 Kで急激に温度分布がカットオフしている現象は、C2H分子に関連する未知の物理的メカニズムを示唆している。

ABSTRACT

We present an analysis of spectroscopic and photometric observations of cool DQ white dwarfs based on improved model atmosphere calculations. In particular, we revise the atmospheric parameters of the trigonometric parallax sample of Bergeron, Leggett, & Ruiz, and discuss the astrophysical implications on the temperature scale and mean mass, as well as the chemical evolution of these stars. We also analyze 40 new DQ stars discovered in the first data release of the Sloan Digital Sky Survey. Our analysis confirms that effective temperatures derived from model atmospheres including carbon are significantly lower than the temperatures obtained from pure helium models. Similarly the mean mass of the trigonometric parallax sample, = 0.62 Mo, is significantly lower than that obtained from pure helium models, = 0.73 Mo, and more consistent with the spectroscopic mean mass of DB stars, = 0.59 Mo, the most likely progenitors of DQ white dwarfs. We find that DQ stars form a remarkably well defined sequence in a carbon abundance versus effective temperature diagram; below Teff~10,000 K, carbon pollution decreases monotonically with decreasing effective temperature. Improved evolutionary models including diffusion and connecting to the PG 1159 phase are used to infer a typical value for the thickness of the helium layer M_He/M_* between 10^{-3} and 10^{-2}, compatible with the predictions of post-AGB models.

研究の動機と目的

• 純ヘリウムモデルによる過去の温度および質量推定値に生じる不一致を解消するため、炭素を含む改良されたモデル大気を用いて、冷却DQ白色矮星の大気パラメータを再分析すること。
• 理論的期待とは対照的に、DQ白色矮星の温度分布に観測されたカットオフ（約6000 K）の物理的起源を解明すること。
• 異常に高い炭素含有量を示すDQ星が、白色矮星質量関数の高質量尾部を表しているかどうかを、質量と含有量の相関関係に基づいて検証すること。
• 観測されたヘリウム層の厚さが、特に過去に観測値と予測値に乖離が指摘されたPost-AGB進化モデルと整合的かどうかを評価すること。

提案手法

• 原子および分子的炭素を含む最新のモデル大気計算を用いて、56個のDQ白色矮星の有効温度および炭素含有量を導出した。
• BRL/BLR視差サンプル（16個の星）およびSloan Digital Sky Survey (SDSS) DR1からの40個の新規DQ星を対象に、分光および光度的フィッティング手法を適用した。
• 拡散およびPG 1159段階への接続を組み込んだ改良された進化モデルを用いて、観測された炭素含有量および温度の傾向からヘリウム層の厚さ（M_He/M_star）を推定した。
• 観測されたC/He含有量対T_eff分布を、Pelletierら（1986）およびFontaine & Brassard（2005）の理論予測と比較し、ヘリウム層の厚さを制約した。
• 視差測定値を用いて星の質量を導出し、推定された質量がDB星の分光的平均質量と整合的かどうかを検証した。
• 6000 K付近での温度分布のカットオフの統計的有意性を分析し、C2H星が示す未同定の分子特徴とその関連性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素を含むモデル大気を用いた場合、純ヘリウムモデルと比較してDQ白色矮星の有効温度と質量はどのように変化するか？
• RQ2 DQ白色矮星におけるヘリウム層の厚さは推定されるか？ また、Post-AGB進化モデルの予測と比較するとどうなるか？
• RQ3 DQ白色矮星の数分布がなぜT_eff ≈ 6000 Kで急激にカットオフしているのか？ その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 異常に高い炭素含有量を示すDQ星は、より高質量である傾向にあり、白色矮星質量関数の高質量尾部を表していると見なせるか？
• RQ5 DQ星の観測された温度カットオフは、低温で未同定の分子特徴を示すC2H星の存在と関連していると見なせるか？

主な発見

• 炭素を含むモデル大気から導かれた有効温度は、純ヘリウムモデルに比べ顕著に低く、これはイオン化炭素が提供する追加の自由電子に起因するヘリウムの自由-自由吸収率の増加によるものである。
• 視差サンプルのDQ星の平均質量は、純ヘリウムモデルの0.73 M_sunから、炭素を含むモデルに置き換えられ0.62 M_sunに下方修正された。これはDB星の分光的平均質量（0.59 M_sun）とより整合的になった。
• DQ星は、炭素含有量が有効温度の低下に伴い単調に減少するlog(C/He) 対 T_eff 図において明確なシーケンスを形成している。
• 大多数のDQ星におけるヘリウム層の厚さ（log q(He)）は-3から-2の間であり、過去に報告された約-3.75よりもPost-AGB進化モデルとより整合的である。
• 平均より高い炭素含有量を示すDQ星は、より高質量であることが判明し、特にG47-18はサンプルで最も質量が大きい。これは、これら星が白色矮星質量関数の高質量尾部を表している可能性を示唆している。
• DQ星の数分布は、T_eff ≈ 6000 Kで統計的に有意なカットオフを示しており、約7000 K近辺で急激に減少している。これは、冷却星におけるC2H分子の形成に関連する未知の物理的メカニズムを示唆している。