[論文レビュー] The VLT-FLAMES Tarantula Survey XXV. Surface nitrogen abundances of O-type giants and supergiants

N. J. Grin, O. H. Ramírez-Agudelo+20 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Sep 1, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 80被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、VLT-FLAMES Tarantula Surveyに含まれる72個のO型巨星および超巨星の表面窒素含有量を分析し、回転混合モデルの妥当性を検証した。非局所熱平衡（non-LTE）の合成スペクトルフィッティングを用いてN ii-v線を解析した結果、低重力星の30–40％が遅い回転にもかかわらず強い窒素増強を示したが、これは単一星の回転混合モデルの予測と矛盾しており、連星系や磁場の役割が関与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Theoretically, rotation-induced chemical mixing in massive stars has far reaching evolutionary consequences, affecting the sequence of morphological phases, lifetimes, nucleosynthesis, and supernova characteristics. Using a sample of 72 presumably single O-type giants to supergiants observed in the context of the VLT-FLAMES Tarantula Survey (VFTS), we aim to investigate rotational mixing in evolved core-hydrogen burning stars initially more massive than $15\,M_\odot$ by analysing their surface nitrogen abundances. Using stellar and wind properties derived in a previous VFTS study, we constrained the nitrogen abundance by fitting the equivalent widths of relatively strong lines that are sensitive to changes in the abundance of this element. Given the quality of the data, we constrained the nitrogen abundance in 38 cases; for 34 stars only upper limits could be derived, which includes almost all stars rotating at $v_\mathrm{e}\sin i >200\,\mathrm{km s^{-1}}$. We analysed the nitrogen abundance as a function of projected rotation rate $v_\mathrm{e}\sin i$ and confronted it with predictions of rotational mixing. The upper limits on the nitrogen abundance of the rapidly rotating stars are not in apparent violation with theoretical expectations. However, we found a group of N-enhanced slowly-spinning stars that is not in accordance with predictions of rotational mixing in single stars. Among O-type stars with (rotation-corrected) gravities less than $\log\,g_c = 3.75$ this group constitutes 30$-$40 percent of the population. We found a correlation between nitrogen and helium abundance which is consistent with expectations, suggesting that, whatever the mechanism that brings N to the surface, it displays CNO-processed material.

研究の動機と目的

• 初期質量が15 M☉を超えると予想される、核水素燃焼段階にある進化したO型星における回転混合の調査。
• 観測された表面窒素含有量が、回転を含む星の進化モデルの予測と一致するかの検証。
• 遅い回転速度を示す星に観測された窒素増強が、単一星の回転混合理論で説明可能かどうかの特定。
• 連星相互作用や代替メカニズム（例：磁場）が、異常な表面含有量を説明する役割を果たすかどうかの評価。
• CNO-処理された物質の輸送を示す診断として、窒素とヘリウム含有量の相関関係の検討。

提案手法

• 72個のO型巨星および超巨星の光学的N ii-vスペクトル線（最大21本）を、非局所熱平衡（non-LTE）の大気コード fastwind を用いて合成した。
• 観測スペクトルに合成した等価幅をフィットさせ、特に強い・窒素感受性の高い線に注目して窒素含有量を制約した。
• 進化モデルとの比較のため、完全で代表的なサンプルを得るため、回転補正済み表面重力（log g_c ≤ 3.75）を適用した。
• 弱い線の信号対雑音比が低いことから、34個の星に対して窒素含有量の上限値を計算した（vₑsin i > 170 km s⁻¹）。
• 観測された窒素含有量と投影回転速度の関係を、Brott et al. (2011a) および Ekström et al. (2012) の集団合成モデルの予測と比較した。
• CNO-処理された物質の輸送の整合性を評価するため、窒素とヘリウム含有量の相関関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅い回転速度を示すO型巨星および超巨星の表面窒素含有量は、単一星の回転混合理論の予測と一致するか？
• RQ2 表面重力が低い（log g_c ≤ 3.75）O型巨星および超巨星のうち、回転混合理論と整合しない窒素増強を示す割合はどの程度か？
• RQ3 窒素とヘリウム含有量の相関関係は、CNO-処理された物質が表面に輸送されたことを支持するか？
• RQ4 急速回転星（vₑsin i > 170 km s⁻¹）における観測された窒素含有量の上限値は、回転混合モデルを排除できるか？
• RQ5 連星相互作用や磁場が、回転混合予測から外れるN増強・遅い回転の星群を説明できるか？

主な発見

• log g_c ≤ 3.75 のO型巨星および超巨星の約60–70％が、単一星の回転混合モデルの予測と一致する表面窒素含有量を示した。
• 低重力サンプルの約30–40％が、140 km s⁻¹未塔の投影回転速度にもかかわらず強い窒素増強を示したが、これは回転混合モデルの予測よりも約5倍大きい。
• 窒素増強・遅い回転の星の平均投影回転速度は、マクロ乱流線幅の補正後で78 ± 19 km s⁻¹であった。
• 窒素増強・遅い回転の星の平均進化質量は38 ± 13 M☉であり、サンプルの残りの部分（28 ± 8 M☉）よりも顕著に高かった。
• 窒素とヘリウム含有量の間に有意な相関関係が観測され、CNO-処理された物質の表面への輸送と整合的であった。
• 急速回転星（vₑsin i > 170 km s⁻¹）における窒素含有量の上限値は、回転混合モデルと矛盾しないが、高回転域での理論の検証には信号対雑音比の高いデータが必要である。