[論文レビュー] The NGC 346 massive star census: Nitrogen abundances for apparently single, narrow lined, hydrogen core burning B-type stars

P. L. Dufton, C. J. Evans+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 99被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、小マゼラン雲のNGC 346集団に属する61個の見かけ上単一で水素核融合中であるB型星における窒素含有量を調査し、回転速度の投影値が小さい（ve sin i ≤40 km s−1）星に著しい窒素過剰が認められ、これは回転混合を含む標準的な単一星進化モデルとは矛盾する。この過剰は、全単一B型星の約5％、またはve sin i <40 km s−1の星の約40％に相当し、磁気場や連星合体といった代替機構が関与している可能性を示唆する。両者のメカニズムは、マゼラン雲における観測頻度と両立可能である。

ABSTRACT

Analyses of large spectroscopic surveys of early-type stars in the LMC have found an excess of nitrogen enriched B-type targets with a vsini<40 km/s compared with the predictions of single star evolutionary models incorporating rotational mixing. By contrast the number of such targets with 40<vsini<80 km/s were consistent with such models. We have undertaken a similar analysis for 61 B-type similar targets, towards the young cluster, NGC 346 in the Small Magellanic Cloud (SMC). Approximately 65% could have nitrogen enhancements of less than 0.3 dex, consistent with them having experienced only small amounts of mixing due to their low rotational velocities. However as with the previous LMC surveys, an excess of stars with low projected rotational velocities, vsini<40 km/s and significant nitrogen enrichments is found. This is estimated to be approximately 5% of the total population of apparently single B-type stars or 40% of all stars with current rotational velocities of less than 40 km/s. For all three surveys, the presence of undetected binaries and other uncertainties imply that these percentages might be underestimated and indeed it is possible that all single stars with current rotational velocities of less than 40 km/s are nitrogen enriched. Possible explanations incorporate the effects of magnetic fields, via either a stellar merger followed by magnetic breaking or the evolution of a single star with a large magnetic field. Both mechanisms are compatible with the observed frequency of nitrogen-enriched stars in the Magellanic Clouds. Differences in the properties of the nitrogen-enriched stars compared with the remainder of the sample would be consistent with the former mechanism. For the latter, a qualitative comparison with evolutionary models incorporating magnetic fields is encouraging in terms of the amount of nitrogen enrichment and its presence in stars near the ZAMS.

研究の動機と目的

• NGC 346、SMCに属する見かけ上単一で水素核融合中のB型星、かつ投影回転速度が小さい（ve sin i ≤80 km s−1）星における窒素含有量を特定すること。
• ve sin i ≤40 km s−1 の窒素過剰星の観測数が、回転混合を含む単一星進化モデルの予測を上回っているかどうかを検証すること。
• 低回転B型星における窒素過剰の頻度を評価し、回転混合の系統的欠落を示唆するのか、それとも磁気場や連星合体といった代替機構を必要とするのかを検討すること。
• 前記のLMCサーベイ（FSMSおよびVFTS）と比較し、マゼラン雲全域で一貫したパターンが存在するかを同定すること。

提案手法

• NGC 346に属する61個のB型星について、高分解能FLAMES/GIRAFFEデータ（R ≈ 20,000）を用いたスペクトロスコピック解析（3854–4760 Å）。
• HR02スペクトルの再結合に中央値またはσクリッピングアルゴリズムを用い、SN比およびスペクトル品質の向上を図る。
• Hunterら（2008b）およびDuftonら（2019）のデータを用い、プロファイルフィッティングにより投影回転速度（ve sin i）を推定する。
• 3995 ÅにおけるN ii線を用い、混合補正および大気パラメータ補正を加えて窒素含有量を決定する。
• 回転混合を含む単一星進化モデルからの予測と、観測された窒素過剰星の頻度を比較する。
• コンピュータシミュレーションを用い、低傾斜角で観測された急速回転星の期待数をモデル化し、観測データとの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ve sin i ≤40 km s−1 の窒素過剰B型星の観測数が、回転混合を含む単一星進化モデルの予測を著しく上回っているか？
• RQ2 見かけ上単一のB型星で、ve sin i <40 km s−1 の星のうち、何パーセントが窒素過剰であり、モデルの予測と比較するとどうなるか？
• RQ3 NGC 346における窒素過剰星の性質は、連星合体に続く磁気的減速または強い磁気場を持つ単一星の進化のどちらとも整合するか？
• RQ4 SMCのNGC 346サーベイの結果は、以前のLMCサーベイ（FSMSおよびVFTS）と比較して、低回転B型星における窒素過剰頻度に一貫性があるか？
• RQ5 検出されない連星や観測限界が、低速度B型星における窒素過剰の真の頻度を低く見積もっている原因となっている可能性はあるか？

主な発見

• サンプルに含まれる61個のSMC B型星の約65％が、0.3 dex未満の窒素増加を示しており、低回転速度による回転混合の最小限の影響と整合的である。
• ve sin i ≤40 km s−1 の窒素過剰星の過剰が観測され、全単一B型星のうち約5％に相当すると推定される。
• この過剰は、ve sin i <40 km s−1 の全星の約40％を占め、以前の2つのLMCサーベイで得られた頻度と類似している。
• 低速度群における窒素過剰星の観測頻度は、回転混合を含む単一星モデルの予測と矛盾しており、特に低速度群において顕著である。
• 結果から、未検出の連星や観測限界の影響により、低速度B型星における窒素過剰の真の頻度が低く見積もられている可能性があり、すべての星が窒素過剰である可能性も示唆される。
• 2つのメカニズム—連星合体に続く磁気的減速、または強い磁気場を持つ単一星の進化—は、マゼラン雲における窒素過剰星の観測頻度の両方と両立可能である。