[논문 리뷰] Kinematics of the Central Stars Powering Bowshock Nebulae and the Large Multiplicity Fraction of Runaway OB Stars

Henry A. Kobulnicky, William T. Chick|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 112인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 Gaia EDR3와 새로운 분광학적 관측을 통해 쇄두성운( bowshock nebulae, SBNe) 중심성의 운동학적 성질과 이중성 비율을 분석하여, SBNe 중심성에서 고도의 이중성 비율(36±6%)과 중앙값 투영속도 14.6 km s⁻¹를 확인하였다. 결과는 도약하는 OB성의 주요 기원으로 동역학적 탈출을 지지하며, 24%가 도약성으로 분류되고, 두 가지의 구분되는 형태-운동학적 집단이 밝혀졌다.

ABSTRACT

OB stars powering stellar bowshock nebulae (SBNe) have been presumed to have large peculiar velocities. We measured peculiar velocities of SBN central stars to assess their kinematics relative to the general O star population using $Gaia$ EDR3 data for 267 SBN central stars and a sample of 455 Galactic O stars to derive projected velocities $v_{ m 2D}$. For a subset of each sample we obtained new optical spectroscopy to measure radial velocities and identify multiple-star systems. We find a minimum multiplicity fraction of 36$\pm$6% among SBN central stars, consistent with $>$28% among runaway Galactic O stars. The large multiplicity fraction among runaways implicates very efficient dynamical ejection rather than binary-supernova origins. The median $v_{ m 2D}$ of SBN central stars is $v_{ m 2D}$=14.6 km s$^{-1}$, larger than the median $v_{ m 2D}$=11.4 km s$^{-1}$ for non-bowshock O stars. Central stars of SBNe have a runaway ($v_{ m 2D}$$>$25 km s$^{-1}$) fraction of 24$^{+9}_{-7}$%, consistent with the 22$^{+3}_{-3}$% for control-sample O stars. Most (76%) of SBNe central stars are not runaways. Our analysis of alignment ($\Delta_{ m PA}$) between the nebular morphological and $v_{ m 2D}$ kinematic position angles reveals two populations: a highly aligned ($\sigma_{PA}$=25$^\circ$) population that includes stars with the largest $v_{ m 2D}$ (31% of the sample) and a random (non-aligned) population (69% of the sample). SBNe that lie within or near HII regions comprise a larger fraction of this latter component than SBNe in isolated environments, implicating localized ISM flows as a factor shaping their orientations and morphologies. We outline a new conceptual approach to computing the Solar LSR motion, yielding [U$_\odot$, V$_\odot$, W$_\odot$]= [5.5, 7.5, 4.5] km s$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• Gaia EDR3 자료를 이용해 쇄두성운(SBNe) 중심성의 특이속도를 측정하기 위해.
• 새로운 광학 분광학을 통해 SBNe 중심성의 이중성 비율을 규명하기 위해.
• 통제용 O성 샘플과의 비교를 통해 SBNe 중심성의 운동학적 성질과 형태학적 성질을 분석하기 위해.
• 도약하는 OB성의 기원으로서 동역학적 탈출과 이중성-초신성 메커니즘의 역할을 평가하기 위해.
• 은하간 매질(ISM)이 성운 구조에 미치는 영향을 이해하기 위해 성운 형태학적 위치각과 운동학적 위치각 간의 정렬을 조사하기 위해.

제안 방법

• 267개의 SBNe 중심성과 455개의 통제용 은하계 O성에 대해 Gaia EDR3 천체측위 자료를 이용해 투영 2차원 속도(v₂D)를 유도하였다.
• 선택된 별들에 대한 새로운 광학 분광학 관측을 수행하여 라디얼 속도를 측정하고 다중성 시스템을 식별하였다.
• 자기운동과 라디얼 속도에서 유도한 운동학적 위치각(P Ak)을 성운 형태학적 위치각(P Am)과 비교하여 각도 차이 ∆PA를 계산하였다.
• v₂D > 25 km s⁻¹인 별들을 도약성으로 정의하고, 신뢰구간을 포함한 도약성 비율을 계산하였다.
• ∆PA 분포를 기반으로 σPA ≈ 25°인 정렬된 집단과 σPA ≈ 69°인 비정렬된 집단으로 별들을 분류하였다.
• 지구에서 국지표준운동(LSR)에 대한 태양의 운동을 새롭게 계산하는 방법을 제안하여 [U⊙, V⊙, W⊙] = [5.5, 7.5, 4.5] km s⁻¹의 값을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쇄두성운 중심성의 이중성 비율은 얼마이며, 일반 O성 집단과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ2 SBNe 중심성 중 도약성(v₂D > 25 km s⁻¹)인 비율은 얼마이며, 통제용 O성과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 SBNe 중심성의 운동학적 위치각과 성운 형태학적 위치각 간의 정렬 정도는 어떠한가? 이는 은하간 매질(ISM)의 영향을 어떻게 시사하는가?
• RQ4 운동학적 및 이중성 데이터를 바탕으로, 도약하는 OB성의 기원으로서 동역학적 탈출과 이중성-초신성 메커니즘의 역할은 무엇인가?
• RQ5 SBNe와 O성의 운동학적 성질을 바탕으로 새로운 개념적 접근을 통해 태양의 국지표준운동(LSR)에 대한 재평가가 가능한가?

주요 결과

• SBNe 중심성의 이중성 비율은 >36% ± 6%로, 다중성 시스템의 높은 퍼센트를 나타낸다.
• SBNe 중심성의 중앙값 투영속도(v₂D)는 14.6 km s⁻¹로, 비쇄두성운 O성의 중앙값 11.4 km s⁻¹보다 유의미하게 높다.
• SBNe 중심성의 24%가 도약성(v₂D > 25 km s⁻¹)으로 분류되었으며, 90% 신뢰구간은 24+9−7%로, 통제용 O성 샘플의 22+3−3%와 일치한다.
• SBNe 중심성의 76%는 도약성이 아니므로, 대부분의 쇄두성운은 저속도 환경에서 형성됨을 시사한다.
• ∆PA(성운 형태학적 위치각과 운동학적 위치각 간의 각도 차이) 분포에서 두 개의 구분된 집단이 나타났다: 고도의 정렬 집단(σPA = 25°, 표본의 31%)과 무작위(비정렬) 집단(69%), 후자는 H II 영역 근처에 있는 성운에서 뚜렷하게 증가해 있다.
• H II 영역 내부 또는 근처에 위치한 SBNe는 비정렬 집단에 더 많이 속해 있으며, 이는 局부적 ISM 유동이 성운의 형태와 정렬에 영향을 미친다는 것을 시사한다.