[論文レビュー] Chemical abundances of fast-rotating massive stars. I. Description of the methods and individual results

Constantin Cazorla, T. Morel+5 more|Open Repository and Bibliography (University of Liège)|Mar 16, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 157被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、複数の観測所から得た高分解能分光計測を用いて、40個の高速回転する大質量星における化学成分の均一な分析を実施した。ヘリウムおよびCNO成分の含有量、星のパラメータ、連星状態を導出し、多くの高速回転星が予想される窒素含有量と一致する結果が得られ、現在の回転混合モデルに疑問を呈するとともに、大質量星の進化理論を洗練する必要があることを示唆した。

ABSTRACT

Aims: Recent observations have challenged our understanding of rotational mixing in massive stars by revealing a population of fast-rotating objects with apparently normal surface nitrogen abundances. However, several questions have arisen because of a number of issues, which have rendered a reinvestigation necessary; these issues include the presence of numerous upper limits for the nitrogen abundance, unknown multiplicity status, and a mix of stars with different physical properties, such as their mass and evolutionary state, which are known to control the amount of rotational mixing. Methods: We have carefully selected a large sample of bright, fast-rotating early-type stars of our Galaxy (40 objects with spectral types between B0.5 and O4). Their high-quality, high-resolution optical spectra were then analysed with the stellar atmosphere modelling codes DETAIL/SURFACE or CMFGEN, depending on the temperature of the target. Several internal and external checks were performed to validate our methods; notably, we compared our results with literature data for some well-known objects, studied the effect of gravity darkening, or confronted the results provided by the two codes for stars amenable to both analyses. Furthermore, we studied the radial velocities of the stars to assess their binarity. Results: This first part of our study presents our methods and provides the derived stellar parameters, He, CNO abundances, and the multiplicity status of every star of the sample. It is the first time that He and CNO abundances of such a large number of Galactic massive fast rotators are determined in a homogeneous way.

研究の動機と目的

• 高速回転星における回転混合の理解に生じる矛盾を解消するため、高速回転対象の化学成分を再評価すること。
• 先行研究における方法論的問題、例えば信頼性の低い窒素上限値、曖昧な連星状態、質量や進化段階が異なる混合された星族の問題を解決すること。
• 最新の星の大気モデルと複数エポックの径方向速度モニタリングを用いて、銀河系の早期型星に対する一貫性があり高精度な化学成分分析を提供すること。
• 径方向速度の変動と高解像度画像を用いて、高速回転大質量星の連星状態を特定・評価すること。
• 星の進化モデルを支援するため、高速回転大質量星における均一なヘリウムおよびCNO成分含有量のベンチマークデータセットを確立すること。

提案手法

• TIGRE/HEROS、OHP/SOPHIE、Magellan/MIKE、およびGOSSS、AAT/UCLES、ESO/FEROS、その他のアーカイブデータからの高分解能・高S/N比の光学分光計測を用いた。
• 対象星の効果的温度に応じて、DETAIL/SURFACEおよびCMFGEN星の大気モデルコードを用いて星のパラメータと化学成分を導出した。
• 内部的および外部的妥当性評価として、文献値との比較、重力減光効果の検証、2つのモデリングコード間の結果照合を実施した。
• 分光連星の検出とモデル化に、径方向速度モニタリングとLOSPプログラムを用い、複数の星に対して軌道解を特定した。
• 2MASS、NARVAL、ESPRESSOなどの複数の望遠鏡からの高解像度画像データを統合し、近接の伴星を検出し、連星状態を評価した。
• 径方向速度残差の統計的検査とフーリエ周期解析を用いて、疑わしい連星の軌道周期を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速回転大質量星（投影回転速度 vsini > 150 km/s）は、回転混合モデルが予測するように窒素含有量が増加しているのだろうか？
• RQ2 高速回転大質量星の真の連星状態は何か？ また、連星性は化学成分の決定と径方向速度測定にどのように影響するか？
• RQ3 高速回転星の導出されたヘリウムおよびCNO成分含有量は、理論的予測およびゆっくり回転する星や単一星と比べてどう異なるのか？
• RQ4 重力減光やモデル仮定などの系統的不確実性が、観測された成分含有パターンの解釈にどの程度影響を及えるのか？
• RQ5 高速回転星に観測された正常な窒素含有量は、現在の進化モデルと整合するのか？ もしくは、回転混合の記述を再考する必要があるのか？

主な発見

• 本研究では、40個の銀河系の高速回転大質量星について、ヘリウムおよびCNO成分含有量の最初の均一な決定がなされ、将来的なモデル化のためのベンチマークデータセットが提供された。
• 多くの高速回転星が、未進化または弱い混合モデルと一致する窒素含有量を示しており、高速回転が強いCNO処理を引き起こすという予想に反する結果が得られた。
• 5つの星（HD 52266、HD 52533、HD 163892、HD 203064、HD 210839）に対して軌道解が得られ、周期は5〜186日、離心率は0.23までに達し、サンプルに顕著な連星性が存在することが示された。
• 高解像度画像で複数の星に対して近接の伴星が検出され、例えばHD 52533ではAa-Ab、A-B、A-Cの複数の成分が確認され、連星性が化学成分解釈の主要要因であることが裏付けられた。
• 径方向速度モニタリングにより、HD 228841が一貫した測定値を示し、エポック間で変動がなかったことから、単一星としての分類が確認された。
• 分光連星の伴星の質量は0.0027〜1.57 M⊙の範囲にあり、半振幅は1.7〜90.4 km/sの範囲に達し、低質量から中質量までの連星系の多様性が示された。