[論文レビュー] On the nature of VX Sagitarii: Is it a TZO, a RSG or a high-mass AGB star?

H. M. Tabernero, R. Dorda+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用数 32

ひとこと要約

本研究は、高分解能分光法とAAVSO光度測定を用いてVX Sagittariiを再評価し、Mira様の脈動、極めて高い全光度（Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag）、および青シフトされた周囲星間物質成分を示す強力なRb i線を観測した。これは、継続的なs過程による元素増幅の証拠である。結果として、この星は赤超巨星やThorne–Żytkow天体としての分類から除外され、VX Sgrは既知の最も明るいAGB星であり、初期質量 >10 M⊙ の質量的超AGB星の強力な候補であると位置づけられる。

ABSTRACT

Aims. We present a spectroscopic analysis of the extremely luminous red star VX Sgr based on high-resolution observations combined with AAVSO light curve data. Given the puzzling characteristics of VX Sgr, we explore three scenarios for its nature: a massive red supergiant (RSG) or hypergiant (RHG), a Thorne Zytkow object (TZO), and an extreme Asymptotic Giant Branch (AGB) star. Methods. Sampling more than one whole cycle of photometric variability, we derive stellar atmospheric parameters by using state-of-the-art PHOENIX atmospheric models. We compare them to optical and near infrared spectral types. We report on some key features due to neutral elemental atomic species such as Li I, Ca I, and Rb I. Results. We provide new insights into its luminosity, evolutionary stage as well as its pulsation period. Based on all the data, there are two strong reasons to believe that VX Sgr is some sort of extreme AGB star. Firstly, its Mira-like behaviour during active phases. VX Sgr shows light variations with amplitudes much larger than any known RSG and clearly larger than all RHGs. In addition, it displays Balmer line emission and, as shown here for the first time, line doubling of its metallic spectrum at maximum light, both characteristics typical of Miras. Secondly, unlike any known RSG or RHG, VX Sgr displays strong Rb I lines. In addition to the photospheric lines that are sometimes seen, it always shows circumstellar components whose expansion velocity is compatible with that of the OH masers in the envelope, demonstrating a continuous enrichment of the outer atmosphere with s-process elements, a behaviour that can only be explained by third dredge up during the thermal pulse phase.

研究の動機と目的

• VX Sagittariiの性質について長年の曖昧さを解消すること。これは、赤超巨星（RSG）、赤ハイパーギアント（RHG）、またはThorne–Żytkow天体（TZO）として分類されてきた。
• VX Sgrの極めて高い全光度、大振幅の変光、および異常なスペクトル的特徴が、AGB、RSG、またはTZOの進化モデルと整合するかどうかを特定すること。
• 脈動、対流、およびs過程核融合が、大気的および周囲星間物質的性質に与える影響を評価すること。

提案手法

• 11回の観測エポックにわたり、PHOENIX大気モデルを用いた高分解能分光法により、星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]、vsini）を導出する。
• AAVSO光 light curves の光度測定分析により、変光周期と振幅を測定し、主周期757日および長期的28,279日（約77年）の信号を特定する。
• Li i、Ca i、およびRb i線のスペクトル特徴分析により、光球層および周囲星間物質成分を検出する。
• 最大光度時に金属線に線の二重化を検出し、脈動的Mira様の挙動を確認する。
• 周囲星間物質の拡張速度とOHメーサー速度を比較し、s過程元素供給の推定を試みる。
• 観測フェーズにわたるスペクトル型と星のパラメータの整合性を検証するための相互確認を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VX Sagittariiは、質量的赤超巨星、Thorne–Żytkow天体、それとも極端な漸近巨星分支（AGB）星として最も適切に説明されるか？
• RQ2 VX Sgrで観測された極端な光度的および分光的変動、特に660日周期の脈動と77年周期のモodulationは、何によって駆動されているのか？
• RQ3 なぜVX Sgrは、持続的な青シフトされた周囲星間物質成分を示す強力なRb i線を示すのか？これはs過程核融合に何を示唆するか？
• RQ4 観測された全光度（Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag）は、既知のAGB星と比較してどうなるか？これは、標準的AGB進化の光度限界を超えるのか？
• RQ5 Balmer線の発光および最大光度時の線の二重化は、二重星相互作用やTZO物理学ではなく、脈動的Mira様の挙動に起因すると説明できるか？

主な発見

• VX Sagittariiは、主周期757日および長期的28,279日（約77年）のモodulationを示すMira様の脈動を示しており、後者は以前に報告されていなかったが、質量的AGB星における熱的パルスと関連する可能性がある。
• 星の全光度は Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag であり、これは標準的AGB星の光度限界（−8 mag）を大きく超える。したがって、既知の最も明るいAGB星である。
• 最大光度時に金属吸収線に線の二重化が観測され、Mira様の脈動的挙動を確認する。さらに、Balmer線の発光もこの分類を支持する。
• OHメーサー速度と一致する青シフトされたRb i周囲星間物質成分の持続的出現は、第三の攪乱上昇による継続的s過程元素増幅の直接的証拠を示している。
• Li iおよびCa iの欠如は、Thorne–Żytkow天体由来の可能性を排除する。一方、高い全光度と質量推定値（10–12 M⊙）は、超AGB星としての分類を支持する。
• スペクトル型の変動（M4からM10に至る）および極端な光度変動（Vバンドで最大6等）は、RSGとは整合しないが、極端な脈動状態にあるAGB星とは一致する。