[논문 리뷰] On the nature of VX Sagitarii: Is it a TZO, a RSG or a high-mass AGB star?

H. M. Tabernero, R. Dorda외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 103인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 분광법과 AAVSO 광도 측정을 통해 VX 설탕을 초-AGB 항성으로 재평가하며, Mira 유사 진동, 극도로 높은 광도(Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag), 그리고 블루시프트된 원형성성성 성분을 가진 강한 Rb i 선을 관측하여 지속적인 s-과정 풍부화의 증거를 제시한다. 결과적으로 이는 VX Sgr를 적색 초거성 또는 Thorne–Żytkow 물체로의 분류를 도전하며, VX Sgr가 초기 질량 >10 M⊙인 대질량 초-AGB 항성으로서 알려진 가장 빛나는 AGB 항성임을 입증한다.

ABSTRACT

Aims. We present a spectroscopic analysis of the extremely luminous red star VX Sgr based on high-resolution observations combined with AAVSO light curve data. Given the puzzling characteristics of VX Sgr, we explore three scenarios for its nature: a massive red supergiant (RSG) or hypergiant (RHG), a Thorne Zytkow object (TZO), and an extreme Asymptotic Giant Branch (AGB) star. Methods. Sampling more than one whole cycle of photometric variability, we derive stellar atmospheric parameters by using state-of-the-art PHOENIX atmospheric models. We compare them to optical and near infrared spectral types. We report on some key features due to neutral elemental atomic species such as Li I, Ca I, and Rb I. Results. We provide new insights into its luminosity, evolutionary stage as well as its pulsation period. Based on all the data, there are two strong reasons to believe that VX Sgr is some sort of extreme AGB star. Firstly, its Mira-like behaviour during active phases. VX Sgr shows light variations with amplitudes much larger than any known RSG and clearly larger than all RHGs. In addition, it displays Balmer line emission and, as shown here for the first time, line doubling of its metallic spectrum at maximum light, both characteristics typical of Miras. Secondly, unlike any known RSG or RHG, VX Sgr displays strong Rb I lines. In addition to the photospheric lines that are sometimes seen, it always shows circumstellar components whose expansion velocity is compatible with that of the OH masers in the envelope, demonstrating a continuous enrichment of the outer atmosphere with s-process elements, a behaviour that can only be explained by third dredge up during the thermal pulse phase.

연구 동기 및 목표

• VX Sagittarii의 본질에 대한 오랫동안 지속된 모호함을 해결하기 위해, 이는 적색 초거성(RSG), 적색 초거성형 항성(RHG), 또는 Thorne–Żytkov 물체(TZO)로 분류되어 왔다.
• VX Sgr의 극도로 높은 광도, 큰 진폭의 변동성, 그리고 이국적인 스펙트럼 특징이 AGB, RSG, 또는 TZO 진화 모델과 어떻게 부합하는지 확인하기 위해.
• 진동, 대류, 그리고 s-과정 핵합성의 역할이 대기 및 원형성성 특성을 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 11개의 시점에서 고해상도 분광법을 사용하여 PHOENIX 대기 모델을 적용해 별의 물리적 매개변수(Teff, log g, [Fe/H], vsini)를 유도한다.
• AAVSO 광도곡선의 광도 분석을 통해 변동 주기와 진폭을 측정하였으며, 주요 주기 757일과 장기적 28,279일(약 77년) 신호를 포함한다.
• Li i, Ca i, Rb i 선에 초점을 맞춘 스펙트럼 특징 분석을 통해 광원성 및 원형성성 성분을 탐지한다.
• 최대 밝기 시에 금속선에서의 선 이중화를 감지하여 Mira 유사 진동 행동을 확인한다.
• 원형성성 확장 속도와 OH 마이저 속도를 비교하여 s-과정 원소 공급을 추론한다.
• 관측 단계 간의 스펙트럼 유형과 별의 물리적 매개변수의 일관성을 평가하기 위해 상호 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VX Sagittarii의 본질을 가장 잘 설명하는 것은 대질량 적색 초거성, Thorne–Żytkov 물체, 아니면 극한의 퇴적 거대 브랜치(AGB) 항성인가?
• RQ2 VX Sgr에서 관측된 극도로 높은 광도 및 분광적 변동성, 특히 660일 주기의 진동과 77년 조절 신호의 원인은 무엇인가?
• RQ3 VX Sgr가 지속적으로 블루시프트된 원형성성 성분을 가진 강한 Rb i 선을 보이는 이유는 무엇이며, 이는 s-과정 핵합성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 광도(Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag)는 알려진 AGB 항성과 어떻게 비교되며, 전통적인 AGB 진화의 광도 한계를 초월하는가?
• RQ5 Balmer 선의 발광과 최대 밝기 시 선 이중화 현상은 이분화된 이중성 상호작용이나 TZO 물리학이 아닌, 진동성 Mira 유사 행동에 기인한 것인가?

주요 결과

• VX Sagittarii는 주기 757일의 주요 진동과 28,279일(약 77년)의 장기 조절 신호를 보이며 Mira 유사 진동을 나타내며, 이는 이전에 보고되지 않은 것으로, 대질량 AGB 항성에서의 열 펄스와 관련이 있을 수 있다.
• 이 별의 볼로메트릭 등급은 Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag이며, 이는 기존의 AGB 항성에서의 광도 한계인 −8 mag를 초월하는 것으로 알려진 가장 빛나는 AGB 항성이다.
• 최대 밝기 시 금속 흡수선에서의 선 이중화가 Mira 유사 진동 행동을 확인하며, Balmer 선의 발광은 이 분류를 추가로 지지한다.
• OH 마이저 속도와 일치하는 블루시프트된 Rb i 원형성성 성분이 지속적으로 존재함으로써, 제3의 덮개업을 통한 지속적인 s-과정 원소 풍부화의 직접적 증거가 된다.
• Li i와 Ca i 특징의 부재는 Thorne–Żytkov 물체 기원을 배제하며, 높은 광도와 질량 추정치(10–12 M⊙)는 초-AGB 항성으로서의 분류를 지지한다.
• 스펙트럼 유형의 변동성(기본 M4에서 M10로)과 극도로 큰 광도 진폭(비소에서 최대 6등급)은 RSG와 부합하지 않지만, 극한의 진동 상태에 있는 AGB 항성과 부합한다.