[論文レビュー] S stars and s-process in the Gaia era I. Stellar parameters and chemical abundances in a sub-sample of S stars with new MARCS model atmospheres

S. Shetye, S. Van Eck+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、高分解能HERMES分光法、Gaia DR2パラメータ、および新たに開発されたMARCSモデル大気を用いて19個のS型星の星像パラメータとs過程元素の過剰度を決定した。Tcを含む（内在的）S型星はNbが乏しく、TP-AGBに位置しているのに対し、Tcを含まない（外部的）S型星はNbが豊富で、赤色巨星系列（RGB）または初期AGBに位置しており、これは二重星からの物質移動と第3の混合上昇（TDU）イベントによって形作られた別個の進化経路を示している。

ABSTRACT

S stars are transition objects between M-type giants and carbon stars on the asymptotic giant branch (AGB). They are characterized by overabundances of s-process elements. Roughly half of them are enhanced in technetium (Tc), an s-process element with no stable isotope, while the other half lack technetium. This dichotomy arises from the fact that Tc-rich S stars are intrinsically producing s-process elements and have undergone third dredge-up (TDU) events, while Tc-poor S stars owe their s-process overabundances to a past pollution by a former AGB companion. Our aim is to analyse the abundances of S stars and gain insights into their evolutionary status and on the nucleosynthesis of heavy s-process elements taking place in their interior. In particular, the location of extrinsic and intrinsic S stars in the HR diagram will be compared with the theoretical onset of the TDU on the thermally-pulsing AGB. A sample of 19 S-type stars was analysed by combining HERMES high-resolution spectra, accurate Gaia Data Release 2 (GDR2) parallaxes, stellar-evolution models, and newly-designed MARCS model atmospheres for S-type stars. Combining the derived parameters with GDR2 parallaxes allows a joint analysis of the location of the stars in the Hertzsprung-Russell diagram and of their surface abundances. For all 19 stars, Zr and Nb abundances are derived, complemented by abundances of other s-process elements for the three Tc-rich S stars. These abundances agree within the uncertainties with nucleosynthesis predictions for stars of corresponding mass, metallicity and evolutionary stage. Most extrinsic S stars lie close to the tip of the red giant branch (RGB), and a few are located along the early AGB. The location of intrinsic S stars in the HR diagram is compatible with them being thermally-pulsing AGB stars.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法と改良されたモデル大気を用いて、S型星の正確な星像パラメータとs過程元素の過剰度を決定すること。
• 星の位置と表面組成を用いて、内在的S型星と外部的S型星の進化状態をHR図上で明確にすること。
• AGB星におけるs過程元素の核生成予測を、観測されたZrおよびNbの過剰度と理論モデルを比較することで検証すること。
• 特に1 M⊙程度の低質量星においてもTDUが発生しうることを示唆する、Tcを含む星V915 AqlにおけるTDUの役割を調査すること。
• T_eff、log g、C/O、[s/Fe]の間のデゲネラシーに起因する大気パラメータの決定の曖昧さを解消するため、新規スペクトルフィッティング手法を用いること。

提案手法

• S型星に特化した新しいMARCSモデル大気グリッドを用い、T_eff、log g、[Fe/H]、C/O、[s/Fe]の範囲をカバーした。
• 自動スペクトルフィッティング手法を採用し、HERMES分光法で得られた高分解能・高S/Nの観測スペクトルと、MARCSグリッドから得た合成スペクトルを一致させた。
• 得られた大気パラメータとGaia DR2パラメータを組み合わせ、絶対等級を計算し、星をHR図に配置した。
• 星の位置と得られたパラメータに基づいて、星の進化段階を星の進化モデルを用いて解釈した。
• スペクトル合成とラインごとの解析を用いてZr、Nb、その他のs過程元素の過剰度を計算し、モデルフィッティングからの不確実性を伝搬させた。
• 観測された過剰度パターンを、さまざまな質量と金属量を想定したTP-AGB星の核生成予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S型星におけるZrおよびNbの観測された過剰度は、AGB星におけるs過程核生成予測と一致するか？
• RQ2 S型星におけるTcの二分法は、ニオブのような他のs過程元素の過剰度にも反映されているか？
• RQ3 外部的S型星と内在的S型星はHR図のどこに位置し、それらの位置は第3の混合上昇の開始とどのように関係しているか？
• RQ4 T_eff、log g、C/O、[s/Fe]の間のデゲネラシーが存在するにもかかわらず、S型星の大気パラメータは信頼性を持って決定可能か？
• RQ5 V915 AqlにTcが存在することは、AGB星における第3の混合上昇の下限質量が1 M⊙程度であることを示唆するか？

主な発見

• Tcを含むS型星V915 AqlはNbが乏しく、進行中の第3の混合上昇と整合的であり、TP-AGBに近い位置にあることから、1 M⊙程度の星でもTDUが発生しうることが示唆される。
• Tcを含まない外部的S型星はNbが豊富で、赤色巨星系列（RGB）または初期AGBに位置しており、バリウム星の冷却版に相当することが示唆される。
• NQ Pup や UY Cen などの内在的S型星はTP-AGBに位置しており、UY Cen は理論的TDU開始点をはるかに上回る位置にあり、高いs過程過剰度と高いC/O比（0.999）と整合的である。
• 明確な傾向が観測された：赤外過剰度の増加、C/O比の増加、s過程過剰度の増加が、効用温度の低下と相関しており、SC型星への段階的進化を示している。
• 新規MARCSモデルグリッドを用いたスペクトルフィッティング手法は、パラメータのデゲネラシーを効果的に解消し、高分解能で観測スペクトルと一致する合成スペクトルを生成でき、信頼性の高い過剰度決定を可能にした。
• 内在的および外部的S型星の両方において、観測されたZrおよびNbの過剰度は、対応する質量、金属量、および進化段階の星における核生成予測と良好に一致している。