[論文レビュー] The pre- versus post-main sequence evolutionary phase of B[e] stars: Constraints from 13CO band emission

M. Kraus|ArXiv.org|Jan 6, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 58被引用数 33

ひとこと要約

本稿では、B[e]星の前主系列および後主系列の進化段階を区別するための診断法として、Kバンドスペクトルにおける13COバンド発光を提案する。後主系列進化に伴い12C/13C比が約20未塔に低下することを根拠とし、分光分解能R ~ 1500–3000で検出可能な13CO発光は、距離が不確実で表面が遮蔽されている星においても、進化段階の明確な指標を提供する。

ABSTRACT

Many galactic B[e] stars suffer from improper distance determinations, which make it difficult to distinguish between a pre- and post-main sequence evolutionary phase on the basis of luminosity arguments. In addition, these stars have opaque circumstellar material, obscuring the central star, so that no detailed surface abundance studies can be performed. We propose a different indicator for the supergiant status of a B[e] star, based on the enrichment of its circumstellar matter by 13C, and detectable via its 13CO band emission in the K band spectra. Based on stellar evolution models, we calculate the variation of the 12C/13C isotopic surface abundance ratio during the evolution of non-rotating stars with different initial masses. For different values of the 12C/13C ratio we then compute synthetic first-overtone vibration-rotational band spectra from both the 12CO and 13CO molecule at different spectral resolutions. We further discuss the influence of stellar rotation on the variation of the surface 12C/13C ratio. The surface 12C/13C isotope ratio is found to decrease strongly during the post-main sequence evolution of non-rotating stars, from its interstellar value of about 70 to a value of about 15-20 for stars with initial masses higher than 7 M_sun, and to a value of less than 5 for stars with initial masses higher than 25 M_sun. We find that detectable 13CO band head emission is produced for isotope ratios 12C/13C < 20, and can most easily be detected with a spectral resolution of R ~ 1500...3000. For the rotating stellar models, the drop in 12C/13C already occurs for all stars with M > 9 M_sun during the main-sequence evolution. The detection of 13CO band head emission in such mid-resolution K band spectra of a B[e] star thus favours an evolved rather than a young nature of the object.

研究の動機と目的

• 距離の不確実性と光度推定の困難さにより、B[e]星を前主系列か後主系列か分類することが難しいことに対処する。
• B[e]星では表面の直接的な組成分析が遮蔽により不可能となるという制限を克服する。
• 特に13COバンドにおける13Cの同位体増強に基づいた、周囲物質の同位体組成を用いた代替的進化段階指標を開発する。
• 検出可能な13CO発光を進化段階の代理指標として用いて、未分類のB[e]星を分類する手法を提供する。
• 星の回転が12C/13C比および13CO検出可能性に与える影響を評価し、分類の信頼性を向上させる。

提案手法

• 初期質量と進化段階に応じた表面12C/13C同位体比を計算するため、非回転および回転星の進化モデルを用いる。
• 星の進化モデルを用いて、後主系列段階で12C/13C比が初期値（約70）から、7 M⊙以上の星では約15–20、25 M⊙以上の星では5未塔に低下することを予測する。
• 分光分解能R ~ 1500–3000の範囲で変動するスペクトル分解能において、12COおよび13COの一次オーバートーン振動-回転バンドスペクトルを合成し、観測可能なKバンド特徴を模擬する。
• 12C/13C比と13COバンドヘッド発光の検出限界を評価し、比が約20未塔に低下すると発光が検出可能になることを特定する。
• 星の回転が12C/13C比の進化に与える影響を評価し、回転モデルでは初期質量M_in > 9 M⊙の星で主系列段階の途中から比が20未塔に低下することを示す。
• 既知のB[e]超新星（例：GG Car、CPD-57 2874）における観測された13CO検出結果とモデル予測を比較し、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kバンドスペクトルにおける13COバンド発光は、B[e]星の進化段階を信頼できる指標として機能するか？
• RQ2 中分解能Kバンドスペクトルにおいて、13COバンド発光がどの12C/13C比で検出可能になるか？
• RQ3 星の回転は、12C/13C表面比の進化および13COバンドの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 13CO発光は、未分類のB[e]星を前主系列か後主系列か分類する際の曖昧さをどの程度解消できるか？
• RQ5 GG Car や CPD-57 2874 における観測された13CO検出結果はモデル予測とどのように一致するか？また、それらは光度または初期回転速度にどのような示唆を含むか？

主な発見

• 初期質量が7 M⊙以上の後主系列星では、表面12C/13C比が初期宇宙値（約70）から約15–20に低下し、25 M⊙以上の星では5未塔に低下する。
• 12C/13C比が約20未塔に低下すると、13COバンドヘッド発光が検出可能となり、これは進化段階にあることを示す。
• 13COバンドを検出する最適な分光分解能はR ~ 1500–3000であり、信号強度と分光的詳細の両立を図る。
• 回転星では、初期質量が9 M⊙以上の星で、主系列段階の途中から12C/13C比が20未塔に低下し、13CO発光の早期検出が可能になる。
• GG Carにおける13CO発光の検出は、B[e]超新星としての分類と整合的であるが、観測されたバンド強度はモデル予測と矛盾しており、光度/質量が低く見積もられているか、想定よりも高い初期回転速度である可能性を示唆する。
• CPD-57 2874および他のB[e]星における13CO発光の懸念される検出結果は、未分類のB[e]星を進化した超新星と分類する手法の可能性を支持する。