[논문 리뷰] Properties of Galactic early-type O-supergiants: A combined FUV-UV and optical analysis

J.‐C. Bouret, D. J. Hillier외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 119인용 수 88

한 줄 요약

이 연구는 비등온성 풍속 모델링(CMFGEN)을 사용하여 FUV-UV 및 광학 스펙트로스코피를 결합하여 16개의 은하수 조기형 O 초거대항성(O4–O7.5)의 물리적 및 풍속 파라미터를 도출한다. 관측된 N/C 비율이 이론적 예측과 다름을 보이며, 이는 회전 혼합 모델의 한계를 시사한다. 반면, 군집화를 고려할 경우 질량 손실률은 이론과 일치하며, 대부분의 별들에서 풍속의 기초 부위 근처에서 군집화가 시작되고, 충진 요소는 0.05 ± 0.02이다.

ABSTRACT

We aim to constrain the properties and evolutionary status of early and mid-spectral type supergiants (from O4 to O7.5). These posses the highest mass-loss rates among the O stars, and exhibit conspicuous wind profiles. Using the non-LTE wind code CMFGEN, we simultaneously analyzed the FUV-UV and optical spectral range to determine the photospheric properties and wind parameters. We derived effective temperatures, luminosities, surface gravities, surface abundances, mass-loss rates, wind terminal velocities, and clumping filling factors. The supergiants define a very clear evolutionary sequence, in terms of ages and masses, from younger and more massive stars to older stars with lower initial masses. O4 supergiants cluster around the 3 Myr isochrone and are more massive than 60 Msun, while the O5 to O7.5 stars have masses in the range 50 - 40 Msun and are 4 +/- 0.3 Myr old. The surface chemical composition is typical of evolved O supergiants (nitrogen-rich, carbon- and oxygen-poor). While the observed ranges of carbon and nitrogen mass-fractions are compatible with those expected from evolutionary models for the measured stellar masses, the N/C ratios as a function of age are inconsistent with the theoretical predictions for the four earliest (O4 spectral type) stars of the sample. We question the efficiency of rotational mixing as a function of age for these stars and suggest that another mechanism may be needed to explain the observed abundance patterns. Mass-loss rates derived with clumped-models range within a factor of three of the theoretical mass-loss rates. The corresponding volume-filling factors associated with small-scale clumping are 0.05 +/- 0.02. Clumping is found to start close to the photosphere for all but three stars, two of which are fast rotators.

연구 동기 및 목표

• 다중 파장 스펙트로스코피를 사용하여 조기형 O 초거대항성의 진화 상태와 물리적 파라미터를 제약한다.
• 비등온성 모델에서 풍속 군집화를 고려함으로써 이론적 질량 손실률의 신뢰성을 조사한다.
• 관측된 N/C 비율을 이론적 예측과 비교함으로써 회전 혼합이 표면 성분 조성에 미치는 영향을 평가한다.
• FUV-UV 및 광학 선을 동시에 모델링함으로써 표면 중력 및 질량 결정의 정확도를 향상시킨다.
• 풍속의 반경 방향 분포에서 군집화의 구조와 그가 거대 항성 풍속의 스펙트럼 진단에 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 비등온성 복사 전달 코드 CMFGEN을 사용하여 광학 및 풍속 성분을 동시에 모델링함으로써 FUV-UV 및 광학 스펙트럼을 동시 분석한다.
• FUSE 및 IUE FUV-UV 데이터와 ELODIE 및 FEROS 광학 스펙트럼을 조합하여 포괄적인 스펙트럼 커버리지를 확보한다.
• 밀도 비균일성으로 인한 질량 손실률 과대평가를 보정하기 위해 가변 충진 요소를 가진 군집화 풍속 모델을 적용한다.
• 관측된 선 프로파일과 이온화 분율을 일치시키기 위해 다공성(또는 매크로군집화) 형식을 통해 미세군집화 효과를 통합한다.
• 관측된 스펙트로스코픽 특징을 더 잘 재현하기 위해 빈 공간이 없는 간극 간 매질 모델을 채택한다.
• 모델 가정을 검증하고 금속 농도를 조정하기 위해 이온화 평형 진단(예: P v)을 사용하며, 관측치를 일치시키기 위해 태양계 이하의 P 농도를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍속 군집화를 고려할 경우, O 초거대항성의 유도된 질량 손실률은 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 O4–O7.5 초거대항성에서 관측된 N/C 농도 비율은 회전 혼합을 포함한 별의 진화 모델 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 O 초거대항성에서 풍속 군집화는 어디서 시작되고, 그 반경 분포는 어떻게 되는가?
• RQ4 미세군집화는 거대 항성 풍속의 이온화 구조와 탈출 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 이론적 질량 손실률이 체계적으로 관측된 추정치를 초과하는가? 이 격차는 빛의 세기에 따라 달라지는가?

주요 결과

• O4 초거대항성은 3 밀리온 년 미만이며 질량가 60 M☉ 이상이지만, O5–O7.5 별들은 4.0 ± 0.3 밀리온 년으로 평가되며 질량는 50에서 40 M☉ 사이이다.
• 표면 조성은 질소가 풍부하고 탄소 및 산소가 부족하여 진화한 O 초거대항성과 일치한다.
• 네 개의 O4 별에서 관측된 N/C 비율은 이론적 예측과 다름을 보이며, 이는 회전 혼합이 부족하거나 다른 혼합 메커니즘이 필요함을 시사한다.
• 군집화 모델을 사용해 도출된 질량 손실률은 이론적 값의 약 3배 이내이며, 군집화 충진 요소는 0.05 ± 0.02이다.
• 세 별을 제외한 모든 별들에서 군집화가 광학 기저 근처에서 시작되며, 두 개의 빠른 회전 별(λ Cep, ζ Puppis)과 한 명의 추가 빠른 회전 별(HD 16691)은 지연된 시작을 보인다.
• 이론적 대비 관측 질량 손실률 비율은 빛의 세기에 따라 증가하며, 더 뜨겁고 질량이 큰 별들에 대해 모델에서 풍속 구동력이 과대평가되고 있음을 시사한다.