[論文レビュー] Properties of Galactic early-type O-supergiants: A combined FUV-UV and optical analysis

J.‐C. Bouret, D. J. Hillier+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 119被引用数 88

ひとこと要約

本研究では、非局所熱動力学的風モデル（CMFGEN）を用いてFUV-UVおよび可視域分光法を統合し、16個の銀河系初期型O超巨星（O4–O7.5）の物理的パラメータおよび風パラメータを導出する。観測されたN/C比は理論的予測から逸脱しており、回転混合モデルの限界を示唆する一方、クラッティングを考慮した場合、質量放出率は理論と整合的であり、ほとんどの星で光球面近くでクラッティングが開始され、体積率は0.05 ± 0.02であった。

ABSTRACT

We aim to constrain the properties and evolutionary status of early and mid-spectral type supergiants (from O4 to O7.5). These posses the highest mass-loss rates among the O stars, and exhibit conspicuous wind profiles. Using the non-LTE wind code CMFGEN, we simultaneously analyzed the FUV-UV and optical spectral range to determine the photospheric properties and wind parameters. We derived effective temperatures, luminosities, surface gravities, surface abundances, mass-loss rates, wind terminal velocities, and clumping filling factors. The supergiants define a very clear evolutionary sequence, in terms of ages and masses, from younger and more massive stars to older stars with lower initial masses. O4 supergiants cluster around the 3 Myr isochrone and are more massive than 60 Msun, while the O5 to O7.5 stars have masses in the range 50 - 40 Msun and are 4 +/- 0.3 Myr old. The surface chemical composition is typical of evolved O supergiants (nitrogen-rich, carbon- and oxygen-poor). While the observed ranges of carbon and nitrogen mass-fractions are compatible with those expected from evolutionary models for the measured stellar masses, the N/C ratios as a function of age are inconsistent with the theoretical predictions for the four earliest (O4 spectral type) stars of the sample. We question the efficiency of rotational mixing as a function of age for these stars and suggest that another mechanism may be needed to explain the observed abundance patterns. Mass-loss rates derived with clumped-models range within a factor of three of the theoretical mass-loss rates. The corresponding volume-filling factors associated with small-scale clumping are 0.05 +/- 0.02. Clumping is found to start close to the photosphere for all but three stars, two of which are fast rotators.

研究の動機と目的

• 多波長分光法を用いて初期型O超巨星の進化状態および物理的パラメータを制約する。
• 非局所熱動力学的モデルにおける風クラッティングを考慮することで、理論的質量放出率の信頼性を検証する。
• 観測されたN/C比と理論的予測を比較することで、回転混合が表面組成に与える影響を評価する。
• FUV-UVおよび可視域ラインを同時にモデル化することで、表面重力および質量の決定精度を向上させる。
• クラッティングの半径方向分布と、質量星風におけるスペクトル診断への影響を調査する。

提案手法

• 非局所熱動力学的放射線輸送コードCMFGENを用いて、光球面および風成分を同時にモデル化するFUV-UVおよび可視域分光法の同時解析。
• FUSEおよびIUEのFUV-UVデータに加え、ELODIEおよびFEROSの可視域分光法データを組み合わせ、包括的なスペクトルカバレッジを実現。
• 密度不均一性による質量放出率の過大評価を補正するため、変動する体積率を有するクラッティング風モデルを適用。
• 観測された線幅およびイオン化分率に一致させるために、ポーラリティ（またはマクロクラッティング）形式によるマイクロクラッティング効果を組み込む。
• 観測された分光的特徴をよりよく再現するため、空洞のない間隙媒体モデルを採用。
• イオン化平衡診断（例：P v）を用いてモデル仮定を検証し、金属線量を調整する。特に、観測に一致させるために太陽系外のP線量を低下させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラッティングを考慮した場合、O超巨星の導出された質量放出率は理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ2 O4–O7.5超巨星における観測されたN/C組成比は、回転混合を含む星の進化モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ3 O超巨星における風クラッティングはどこで開始され、その半径方向分布はどのようなものか？
• RQ4 マイクロクラッティングは、質量星風のイオン化構造および発光スペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 なぜ理論的質量放出率が一貫して経験的推定値を上回るのか？この乖離は光度に依存するか？

主な発見

• O4超巨星は3 Myr未満の若さで、質量は60 M☉以上である。O5–O7.5星は4.0 ± 0.3 Myrで、質量は50～40 M☉の間である。
• 表面組成は窒素に富んでおり、炭素および酸素が乏しいため、進化したO超巨星と整合的である。
• 4つのO4星における観測されたN/C比は理論的予測から逸脱しており、回転混合が不十分であるか、あるいは代替の混合機構の必要性を示唆する。
• クラッティングモデルを用いて導出した質量放出率は、理論値の3倍以内であり、クラッティング体積率は0.05 ± 0.02であった。
• 3つの星を除き、すべての星で光球面に近い位置でクラッティングが開始された。2つの高速回転星（λ Cep、ζ Puppis）および1つの追加の高速回転星（HD 16691）では、クラッティングの開始が遅延していた。
• 理論的対観測質量放出率比は光度とともに増加しており、これはより高温で質量の大きな星のモデルにおける風駆動の過大評価を示唆する。