[論文レビュー] The Tarantula Massive Binary Monitoring: III. Atmosphere analysis of double-lined spectroscopic systems

L. Mahy, H. Sana+18 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Dec 14, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、30 Doradus領域の31個の二重線分光連星を、スペクトル分離法とCMFGEN大気モデルを用いて分析し、星のパラメータおよび表面元素分画を導出する。潮汐混合は窒素の増加にほとんど影響しないが、半接触系における質量移動が顕著な表面元素分画の変化と再生を引き起こし、二重星の生成物がN–v sin i 図における説明のつかない星の集団を説明できる可能性があることが判明した。

ABSTRACT

Accurate stellar parameters of individual objects in binary systems are essential to constrain the effects of binarity on stellar evolution. These parameters serve as a prerequisite to probing existing and future theoretical evolutionary models. We aim to derive the atmospheric parameters of the 31 SB2s in the TMBM sample. This sample, composed of detached, semi-detached and contact systems with at least one of the components classified as an O star, is an excellent test-bed to study how binarity can impact our knowledge of the evolution of massive stars. 32 epochs of FLAMES/GIRAFFE spectra are analysed using spectral disentangling to construct the individual spectra of 62 components. We apply the CMFGEN atmosphere code to determine their stellar parameters and their He, C and N surface abundances. From these properties, we show that the effects of tides on chemical mixing are limited. Components on longer-period orbits show higher nitrogen enrichment at their surface than those on shorter-period orbits, in contrast to expectations of rotational or tidal mixing, implying that other mechanisms play a role in this process. Components filling their Roche lobe are mass donors. They exhibit higher nitrogen content at their surface and rotate more slowly than their companions. By accreting new material, their companions spin faster and are rejuvenated. Their locations in the N-vsini diagram tend to show that binary products are good candidates to populate the two groups of stars (slowly rotating, nitrogen-enriched and rapidly rotating non-enriched) that cannot be reproduced through single-star population synthesis. This sample is the largest sample of binaries to be studied in such a homogeneous way. The study of these objects gives us strong observational constraints to test theoretical binary evolutionary tracks.

研究の動機と目的

• タランチュラ質量連星モニタリング標本に含まれる質量の大きな連星系の成分における正確な大気パラメータおよび表面分画（He, C, N）を特定すること。
• とりわけ潮汐力と質量移動を含む連星性が、化学的混合および表面組成に与える影響を評価すること。
• 単一星モデルでは再現できない観測された星の集団が、二重星進化によって説明可能かどうかを検証すること。
• 分離型、半接触型、接触型の進化段階に応じてシステムを分類し、その性質と観測された分画および回転傾向との相関を調べること。
• 一貫性のある大規模なO型連星のサンプルを用いて、理論的二重星進化軌道に対する観測的制約を提供すること。

提案手法

• 30 Doradus領域の31個の二重線分光連星に対して、32エポック分のFLAMES/GIRAFFEスペクトルを取得した。
• 混合された観測スペクトルから個々の成分スペクトルを再構築するために、スペクトル分離法を適用した。
• CMFGEN大気コードを用いて、全62成分の星のパラメータ（Teff, log g, vsin i, 稠度）および表面分画（He, C, N）を導出した。
• 軌道的特徴およびローチュ・ローブの満たされ具合に基づいて、システムを分離型、半接触型、接触型に分類した。
• 回転速度と窒素表面分画を、軌道周期および進化段階と関連付けて、潮汐的および質量移動の影響を評価した。
• 観測されたN–v sin i 図における分布を、単一星系の人口合成モデルから予測される分布と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな連星系における潮汐力が、回転速度や質量移動の影響と比較して、表面窒素増加にどの程度影響を与えるか。
• RQ2 半接触系における質量供給者と質量受領者との間で、表面分画（特に窒素）にどのような差が生じるか。
• RQ3 観測された星のN–v sin i 図における分布は、二重星進化によって説明可能か。特に、ゆっくり回転するが窒素が増加した星、および速く回転するが分画が増加していない星について。
• RQ4 （過）接触系は、進化モデルが予測するように、強い潮汐混合に起因する特異な表面分画を示すか。
• RQ5 連星成分の推定年齢は、同じ領域内の単一星と比較してどう異なるか。これは30 Doradus星団の形成歴史にどのような示唆をもたらすか。

主な発見

• 31系統のうち58％～77％が分離型と分類され、おそらく相互作用前の連星である。16％が半接触型、5％～26％が接触状態またはその付近にあるとされる。
• 分離型系では、VFTS 197およびVFTS 527を除き、窒素表面分画は単一星進化と整合的である。VFTS 197およびVFTS 527では、強い星風が観測された窒素増加を引き起こしている可能性がある。
• 分離型系において、潮汐効果は窒素増加よりも回転速度に顕著に現れ、潮汐混合が化学組成に与える影響は限定的であることを示している。
• 半接触系では、質量供給者が、同伴よりも高い窒素表面分画と遅い回転速度を示しており、化学的に処理された物質が露出していると一致する。
• 半接触系における質量受領者では、回転速度が増加し、再生の兆候が見られ、これは質量吸着によるスピンアップを示唆している。
• 二重星成分のN–v sin i 図における位置から、二重星の生成物が、単一星系の人口合成モデルでは再現できない2つの未解明の星の集団——ゆっくり回転するが窒素が増加した星、速く回転するが分画が増加していない星——を占めている強力な候補であることが示された。