[論文レビュー] Near-IR Spectra of Red Supergiants and Giants. I- Models with Solar and with Mixing-Induced Surface Abundance Ratios

A. Lançon, P. H. Hauschildt+2 more|ArXiv.org|Apr 17, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 35被引用数 44

ひとこと要約

本論文は、太陽系と混合誘発表面組成（C, N, O）を含む、赤色巨星および赤色超巨星の高分解能PHOENIXモデルの大気をグリッド形式で提示している。近赤外域のスペクトルフィッティングを改善することを目的としている。モデルは巨星のスペクトルを良好に再現するが、赤色超巨星については、標準モデルが予測するよりも高い微乱流速度、低い重力、より極端な組成を必要とすることが判明し、これにより推定される有効温度（T_eff）は数百度ケルビンも変化することが分かった。

ABSTRACT

We provide a grid of PHOENIX spectra of red giant and supergiant stars, that extend through optical and near-IR wavelengths. For the first time, models are also provided with modified surface abundances of C, N and O, as a step towards accounting for the changes known to occur due to convective dredge-up (and to be enhanced in the case of rotation). The aims are (i) to assess how well current models reproduce observed spectra, (ii) to quantify the effects of the abundance changes on the spectra, and (iii) to determine how these changes affect estimates of fundamental stellar parameters. Observed giant star spectra can be fitted very well at solar metallicity down to about 3400K. Modified surface abundances are preferred in only a minority of cases for luminosity class II, possibly indicating mixing in excess of standard first dredge-up. Supergiant stars show a larger variety of near-IR spectra, and good fits are currently obtained for about one third of the observations only. Modified surface abundances help reproducing strong CN bands, but do not suffice to resolve all the difficulties. The effect of the abundance changes on the estimated Teff depends on the wavelength range of observation and can amount several 100K. Reasons for the remaining discrepancies are discussed.

研究の動機と目的

• 光度の高い寒冷星、特に赤色超巨星および巨星の理論的近赤外域スペクトルの精度を向上させること。
• 対流による混合上昇および内部混合によって引き起こされる非太陽系表面組成（C, N, O）がスペクトル特徴に与える影響を評価すること。
• 組成変化が有効温度（T_eff）の推定にどのように影響するかを評価すること。
• 現在のモデルが光学および近赤外域の波長範囲で観測された近赤外域分子バンド（CO, CN）を再現する能力に限界があるかどうかを検証すること。
• 観測された超巨星スペクトルに一致させるために、より高い微乱流速度および低い重力を持つ拡張されたモデルグリッドの必要性を特定すること。

提案手法

• 高スペクトル分解能（約0.1 Åのサンプリング）でPHOENIXモデル大気コードを用いて理論的スペクトルを計算し、線の重ね合わせおよび分子バンドを正確にモデル化した。
• 太陽系および混合誘発表面組成を用いて、赤色巨星（光度クラスIII）、明るい巨星（クラスII）、超巨星（クラスI）のモデルを生成した。
• 0.51–2.4 μmをカバーする観測データ（NASA IRTFおよびAATの高分解能近赤外データを含む）とスペクトルを比較した。
• 微乱流速度、表面重力（log g）、金属量の変動がスペクトルフィッティングおよびパラメータ推定に与える影響を分析した。
• 有効温度（T_eff）は、観測スペクトルにモデルをフィットさせることで導出され、異なる波長範囲および組成セットでの感度がテストされた。
• 一貫性のある比較を保証し、多様なデータからのバイアスを避けるために、観測スペクトルの均質なデータセットを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のモデル大気は、赤色巨星および超巨星の全近赤外域スペクトルエネルギー分布（COおよびCNバンドを含む）を同時に再現できるか？
• RQ2 混合によって引き起こされる非太陽系表面組成（C, N, O）は、近赤外域スペクトルにおける分子特徴の強度および形状にどのように影響するか？
• RQ3 組成変化が有効温度（T_eff）の推定に及ぼす影響の程度はどの程度で、観測波長範囲に依存するか？
• RQ4 一部の赤色超巨星は、現在のモデルが適切に再現できない強いCNバンドを示すが、その理由は何か？
• RQ5 観測された最も明るく、最も寒冷な超巨星に適合させるために、どのようなモデル改善（例：より高い微乱流速度、低い重力、極端な組成）が必要か？

主な発見

• 太陽系金属量モデルは、3400 Kまで極めて良好に観測スペクトルを再現できるが、冷却温度帯ではTiOおよびH2Oバンドのモデル化にわずかな困難が生じる。
• 明るいクラスII巨星は太陽系組成モデルで良好にフィットするが、少数の対象は混合誘発組成を必要としており、標準的一般上昇（first dredge-up）を越えた過剰な混合を示唆している。
• 赤色超巨星の約2/3の観測スペクトルで、モデルとの一致が悪いことが判明し、特に明るい（Ia, Iab）および非常に寒冷（M型）の超巨星で顕著である。
• 表面組成を修正することで強いCNバンドのフィッティングは改善されるが、広範なスペクトル的不一致は解消されないため、現在のモデル仮定に限界があることが示唆される。
• 組成変化は、推定されるT_eff値を数百度ケルビンずらす可能性があり、これは金属量を0.5 Z☉からZ☉に変更した場合の影響よりも大きい。
• 赤色超巨星のおよそ20％は、モデルで予測されるよりも高い微乱流速度を必要としており、あるいは、重力が低く（log g < -1）、窒素の組成が標準の非回転モデルの予測を上回る場合がある。