[論文レビュー] The two components of the evolved massive binary LZ Cep. Testing the effects of binarity on stellar evolution

L. Mahy, F. Martins+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、高分解能NARVALスペクトルとHipparcos光度曲線を用いて、進化した大質量連星LZ Cepの詳細な分光および光度的解析を実施し、軌道パラメータ、個々の星の物理的性質、質量を特定した。主な発見は、当初より質量が大きかった第二星（現在約6.5 M☉）から第一星（現在約16.0 M☉）へ効率の悪い質量移動が起こった可能性があり、第二星がヘリウム核燃焼に近い状態にあり、化学的に進化した状態（Wolf-Rayet星に似ているが）にもかかわらず主系列星の明るさクラスを示している半分離連星構造となっていることである。

ABSTRACT

Aims. We present an in-depth study of the two components of the binary system LZCep in order to constrain the effects of binarity on the evolution of massive stars. Methods. We use a set of high-resolution, high signal-to-noise ratio optical spectra obtained over the orbital period of the system to perform a spectroscopic disentangling and derive an orbital solution. We subsequently determine the stellar properties of each component through an analysis with the CMFGEN atmosphere code. Finally, with the derived stellar parameters, we model the Hipparcos photometric light curve using the program NIGHTFALL to obtain the inclination and the real stellar masses. Results. LZCep is a O9III+ON9.7V binary. It is as a semi-detached system in which either the primary or the secondary star almost fills up its Roche lobe. The dynamical masses are about 16.0 $M_{\odot}$ (primary) and 6.5 M_{\odot}$ (secondary). The latter is lower than the typical mass of late-type O stars. The secondary component is chemically more evolved than the primary (which barely shows any sign of CNO processing), with strong helium and nitrogen enhancements as well as carbon and oxygen depletions. These properties (surface abundances and mass) are typical of Wolf-Rayet stars, although the spectral type is ON9.7V. The luminosity of the secondary is consistent with that of core He-burning objects. The preferred, tentative evolutionary scenario to explain the observed properties involves mass transfer from the secondary - which was initially more massive - towards the primary. The secondary is now almost a core He-burning object, probably with only a thin envelope of H-rich and CNO processed material. A very inefficient mass transfer is necessary to explain the chemical appearance of the primary. Alternative scenarios are discussed but they suffer from more uncertainties.

研究の動機と目的

• 進化した連星LZ Cepを対象として、連星性が大質量星の進化に与える影響を制約すること。
• 高分解能分光法を用いて、両成分の軌道解と個々の星の物理パラメータを特定すること。
• 表面元素組成と明るさの分析を通じて、星の進化状態を調査すること。
• Hipparcos光度曲線を用いて真の質量と系の軌道傾きを導出すること。
• 観測された性質（特に表面元素組成と質量比）と理論的連星進化モデルを照合して検証すること。

提案手法

• LZ Cepの軌道周期をカバーする14日間の高分解能・高信噪比NARVALスペクトル系列を取得した。
• 個々の成分のスペクトルを分離するため、分光的分離解析を実施した。
• CMFGEN大気モデルコードを用いて、各星の星の物理パラメータ、風の性質、表面元素組成を導出した。
• NIGHTFALLプログラムを用いてHipparcos光度曲線をモデル化し、系の軌道傾きを特定した。
• 分光的軌道解と光度的傾きを統合し、動的質量を導出し、進化シナリオを検証した。
• 観測された表面元素組成（N、He、C、O）が理論的連星進化モデル（特にケースA後期の質量移動）と整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LZ Cepの両成分における個々の星の物理パラメータ（Teff、log g、vrot、質量、明るさ）は何か？
• RQ2 窒素、ヘリウム、炭素、酸素の表面組成は、単一星と連星進化モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ3 軌道傾きと各成分の動的質量は何か？ また、分光的質量と進化的質量とを比較するとどうなるか？
• RQ4 第二星が低質量でありながら主系列星の明るさクラスであるにもかかわらず、化学的に進化しているという観測的性質を最もよく説明する進化シナリオは何か？
• RQ5 観測された系は単一星の進化軌道からどの程度逸脱しているか？ これは連星相互作用モデルにどのような含意をもたらすか？

主な発見

• 系は半分離連星であり、軌道周期は3.070508日、わずかに非ゼロの離心率（e ≈ 0.031）を示すが、ほぼ円軌道とみなせる。
• 第一星はO9III型と分類され、質量は約16.0 M☉である。第二星はON9.7V型で、質量は約6.5 M☉であり、典型的な後期O型星よりも顕著に小さい。
• 第二星はヘリウムおよび窒素の表面強化を示し、炭素および酸素の欠乏を示しており、CNOサイクルによる高度な処理とヘリウム核燃焼に近い状態にあることが示唆される。
• 第一星は化学的処理がほとんど見られず、質量移動が極めて非効率であることが示唆され、標準的な質量移動シナリオで想定される豊富な元素増強とは一致しない。
• 楕円形光度曲線の変動から、系の軌道傾きは約48°と制約され、分光的解と整合する真の動的質量が導出可能となった。
• 好ましい進化シナリオは、当初質量が大きかった第二星から第一星への質量移動であり、その結果第二星はヘリウム核燃焼に近い状態にあり、薄いH豊富でCNO処理済みの表面層を持つことになった。