[논문 리뷰] Abundance analysis for long-period variables II. RGB and AGB stars in the globular cluster 47\,Tuc

T. Lebzelter, W. Nowotny외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 25.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 45인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 47 Tuc의 12개의 적색거성, 특히 장주기 변수(LPV)를 포함한 고해상도 근적외선 스펙트럼을 수압 및 역학 모델 대기로 분석한다. 역학 모델은 진동하는 별의 관측 스펙트럼을 수압 모델보다 유의미하게 더 잘 맞춘다. 그러나 모델-관측 불일치와 해결되지 않은 질량 손실 영향으로 인해 정확한 원소 농도 결정은 여전히 도전 과제이다.

ABSTRACT

Asymptotic giant branch (AGB) stars play a key role in the enrichment of galaxies with heavy elements. Due to their large amplitude variability, the measurement of elemental abundances is a highly challenging task that has not been solved in a satisfactory way yet. Following our previous work we use hydrostatic and dynamical model atmospheres to simulate observed high-resolution near-infrared spectra of 12 variable and non-variable red giants in the globular cluster 47 Tuc. The 47 Tuc red giants are independently well-characterized in important parameters (mass, metallicity, luminosity). The principal aim was to compare synthetic spectra based on the dynamical models with observational spectra of 47 Tuc variables. Assuming that the abundances are unchanged on the upper giant branch in these low-mass stars, our goal is to estimate the impact of atmospheric dynamics on the abundance determination. We present new measurements of the C/O and 12C/13C ratio for 5 non-variable red giants in 47Tuc. The equivalent widths measured for our 7 variable stars strongly differ from the non-variable stars and cannot be reproduced by either hydrostatic or dynamical model atmospheres. Nevertheless, the dynamical models fit the observed spectra of long-period variables much better than any hydrostatic model. For some spectral features, the variations in the line intensities predicted by dynamical models over a pulsation cycle give similar values as a sequence of hydrostatic models with varying temperature and constant surface gravity.

연구 동기 및 목표

• 장주기 변수(LPv) 별에서 대기 역학의 원소 농도 결정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 수압 및 역학 모델 대기에서의 시뮬레이션 스펙트럼을 47 Tuc의 적색거성 고해상도 근적외선 스펙트럼과 비교하기 위해.
• 비변동성 적색거성의 C/O 및 12C/13C 비율을 수압 모델을 기준으로 결정하기 위해.
• 역학 모델이 관측된 선 강도 및 펄세이션 주기 동안의 변화를 신뢰할 만하게 재현할 수 있는지 평가하기 위해.
• 저금속성 AGB 별에서 질량 손실 및 먼지 형성과 관련된 현재의 역학 모델의 한계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 근적외선 분광법을 사용하여 47 Tuc의 12개의 적색거성에서 12개의 CO, 13개의 CO, OH 및 Na 선의 등가폭(EW)을 측정하였다.
• 관측된 별의 기본 매개변수(질량, 빛의 강도, 금속성, 펄세이션 주기, T_eff)를 반영한 수압 및 역학 모델 대기를 구축하였다.
• 모델에서 유도된 등가폭을 관측된 EW와 비교하여 농도를 유도하였으며, 비변동성 별을 기준으로 C/O 및 12C/13C 비율을 설정하였다.
• 펄세이션 주기 동안 선 강도의 변화는 역학 대기 모델을 사용하여 모델링하고, 다양한 T_eff를 가진 수압 모델 시퀀스와 비교하였다.
• 역학 모델이 변수 별에서 관측된 EW vs. (J-K) 다이어그램에서의 루프 형태의 행동을 재현할 수 있는지 시험하였다.
• 모델 선택은 광도, 금속성, K-대역 진폭에 의해 제약을 받았지만, 스펙트럼 특징의 불일치는 현재 모델 물리학의 한계를 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역학 모델 대기는 47 Tuc의 장주기 변수 별에서 관측된 스펙트럼 선 강도를 수압 모델보다 더 잘 재현할 수 있는가?
• RQ2 다양한 온도를 가진 수압 모델 시퀀스와 비교할 때, 펄세이션 주기 동안 선 강도의 변화는 역학 모델과 어떻게 다를까?
• RQ3 관측된 등가폭이 비록 수압 모델이든 역학 모델이든 예측과 얼마나 다를까?
• RQ4 비변동성 적색거성에서의 C/O 및 12C/13C 비율은 무엇이며, 이는 변수 별의 농도 결정에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 왜 현재의 역학 모델은 먼지 질량 손실가 있는 별에서 관측된 근적외선 색상과 스펙트럼 특징을 재현하지 못하는가?

주요 결과

• 역학 모델은 장주기 변수의 관측 스펙트럼을 수압 모델보다 유의미하게 더 잘 맞추며, 정확한 스펙트럼 합성에 있어 대기 역학이 필수적임을 시사한다.
• 47 Tuc 변수에서 관측된 등가폭은 수압 모델이나 역학 모델 양쪽 모두에서 재현되지 않았으며, 이는 모델 매개변수나 물리 모델의 결함을 시사한다.
• 역학 모델이 예측한 펄세이션 주기 동안의 선 강도 변화는 다양한 효과 온도를 가진 수압 모델에서 관측된 변화와 유사하지만, 물리적 메커니즘은 다르다.
• 비변동성 적색거성 5개에서 수압 모델을 사용하여 C/O 및 12C/13C 비율을 성공적으로 측정하였으며, 이는 변수 별의 기준이 되었다.
• 모델 불일치의 원인은 먼지 유도 질량 손실 및 대기 구조의 완전한 처리 부족 때문일 것이며, 특히 저광도, 저금속성 AGB 별에서 두드러진다.
• 이 연구는 역학 모델이 정확한 농도 분석을 위해 필수적이지만, 현재 모델는 풍속 메커니즘과 먼지 형성 물리학의 개선이 필요하여 신뢰할 수 있는 결과를 도출하기 위해 보완이 필요하다고 결론내린다.