[論文レビュー] Hot subdwarf stars in close-up view IV. Helium abundances and the $^3$He isotopic anomaly of subdwarf B star

S. Geier, U. Heber+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、高分解能分光法を用いて44個の明るい亜水平超巨星B型星におけるヘリウムの質量分率と3He同位体の異常を分析し、2つの明確なヘリウム質量分率のシーケンスを確認するとともに、27,000 Kから31,000 Kの間で集中する8つの星に顕著な3Heの過剰が認められた。結果から、放射線拡散が同位体異常を駆動している可能性が示唆され、主系列B型星における観察と類似したパターンを示している。

ABSTRACT

Atmospheric parameters and helium abundances of 44 bright subdwarf B stars have been determined. More than half of our sample consists of newly discovered stars from the Edinburgh Cape survey. We showed that effective temperatures and surface gravities can be derived from high resolution echelle spectra with sufficient accuracy. Systematic uncertainties have been determined by comparing the parameters derived from the high resolution data with the ones derived from medium resolution spectra. Helium abundances have been measured with high accuracy. Besides the known correlation of helium abundance with temperature, two distinct sequences in helium abundance have been confirmed. Significant isotopic shifts of helium lines due to an enrichment in $^{3}$He have been found in the spectra of 8 sdBs. Most of these stars cluster in a small temperature range between $27\,000\,{ m K}$ and $31\,000\,{ m K}$ very similar to the known $^{3}$He-rich main sequence B stars, which also cluster in such a small strip, but at different temperatures. Both the helium sequences and the isotopic anomaly are discussed.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて44個の明るい亜水平超巨星B型星の正確な大気パラメータとヘリウムの質量分率を決定すること。
• 亜水平超巨星B型星で観測された二重ピークのヘリウム質量分率分布の起源を調査すること。
• sdB大気における3He過剰を示すヘリウム線の同位体シフトを検出および定量すること。
• 3He豊富なsdB星の温度分布を、既知の3He豊富な主系列B型星と比較し、共通する物理的メカニズムの有無を検証すること。
• 放射線拡散および質量放出が、sdB星の大気における元素の質量分率に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 高分解能エッケル分光法を用いて、高い精度で効果的温度と表面重力加速度を導出した。
• 系統的不確実性を評価するため、中分解能スペクトルと照合して大気パラメータを検証した。
• スペクトル線フィッティングとモデル大気解析を用いて、高い精度でヘリウムの質量分率を測定した。
• 3Heと4Heの寄与を考慮した合成スペクトルと比較することで、ヘリウム線の同位体シフトを同定した。
• ヘリウム質量分率と3He過剰の温度依存性を分析し、明確なシーケンスと異常を特定した。
• 観察された同位体傾向を解釈するために、特に温度依存的な3Heの過剰を誘発する拡散モデルを導入した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 亜水平超巨星B型星におけるヘリウム質量分率の分布はどのようなものであり、二重ピークの振る舞いを示すか？
• RQ2 ヘリウム線に顕著な同位体シフトが認められ、3Heの過剰が示唆されるか。その場合、どの効果的温度で発現するか？
• RQ3 3He豊富なsdB星の温度範囲は、3He豊富な主系列B型星のそれとどのように比較できるか？
• RQ4 放射線拡散などの物理的メカニズムが、sdB星における観察された3He同位体異常を説明できるか？
• RQ5 星風や他の質量損失過程が、sdB星の大気におけるヘリウムおよび3Heの質量分率にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 高分解能エッケルスペクトルから、系統的不確実性を中分解能データとの照合により評価した上で、高い精度で効果的温度と表面重力加速度が導出された。
• 2つの明確なヘリウム質量分率のシーケンスが確認された：1つは低温で低いヘリウム質量分率を示し、もう1つは高温で高いヘリウム質量分率を示す。
• 8個の亜水平超巨星B型星で、3Heの過剰に起因する顕著な同位体シフトが検出され、これらは27,000 Kから31,000 Kの狭い温度範囲に集中していた。
• 3He豊富なsdB星の温度分布は、既知の3He豊富な主系列B型星（18,000 Kから21,000 Kの間）の分布とよく一致していた。
• 観察された3Heの過剰は、放射線拡散によって最も説明が可能であると考えられ、3Heが特定の温度閾値で大気中に保持され、4Heが沈降するメカニズムによるものである。
• 31,000 K未満の温度では、上部のヘリウム質量分率シーケンスはlog y ≈ -2.5でほぼ一定であり、より高い温度で上昇する傾向を示しており、支配的物理過程の転移を示唆している。