[논문 리뷰] Runaway blue main-sequence stars at high Galactic latitudes. Target selection with Gaia and spectroscopic identification

R. Raddi, A. Irrgang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 17.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 88인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 가시성 및 저해상도 스펙트로스코피를 이용해 가우스 DR2 천체측위 자료를 통해 고은하위도에서 12개의 도망자 파란 주계열 항성들을 식별하였으며, 세 개의 경우에서 450 km s⁻¹를 초월하는 탈출 속도를 보였고, 이는 고전적 탈출 모델에 도전한다. 이 방법은 후보자를 선별하기 위해 가우스의 태양계절각과 운동량을 사용하고, 스펙트럼 분석과 스펙트로포지터리 및 천체측위 기반 거리 추정치의 일관성에 의해 주계열 상태를 확인하며, 잠재적인 새로운 탈출 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Motivated by the historical identification of runaway main-sequence (MS) stars of early spectral type at high Galactic latitudes, we test the capability of Gaia at identifying new such stars. We have selected ~2300 sources with Gaia magnitudes of GBP - GRP < 0.05, compatible with the colors of low-extinction MS stars earlier than mid-A spectral type, and obtained low-resolution optical spectroscopy for 48 such stars. By performing detailed photometric and spectroscopic analyses, we derive their atmospheric and physical parameters (effective temperature, surface gravity, radial velocity, interstellar reddening, spectrophotometric distance, mass, radius, luminosity, and age). The comparison between spectrophotometric and parallax-based distances enables us to disentangle the MS candidates from older blue horizontal branch (BHB) candidates. We identify 12 runaway MS candidates, with masses between 2 and 6 Msun. Their trajectories are traced back to the Galactic disc to identify their most recent Galactic plane crossings and the corresponding flight times. All 12 candidates are ejected from the Galactic disc within 2 to 16.5 kpc from the Galactic center and possess flight times that are shorter than their evolutionary ages, compatible with a runaway hypothesis. Three MS candidates have ejection velocities exceeding 450 km/s, thus, appear to challenge the canonical ejection scenarios for late B-type stars. The fastest star of our sample also has a non-negligible Galactic escape probability if its MS nature can be confirmed. We identify 27 BHB candidates, and the two hottest stars in our sample are rare late O and early B type stars of low mass evolving towards the white dwarf cooling sequence.

연구 동기 및 목표

• 가우스 DR2가 고은하위도에서 도망자 파란 주계열 항성들을 식별하는 데의 능력을 시험하기 위해.
• 통합 천체측위 및 스펙트로스코피를 이용해 고속의 초기형 항성들의 운동 및 물리적 성질을 조사하기 위해.
• 관측된 고속 탈출 속도가 고전적 이중성 초신성 및 천체역학적 탈출 모델의 예측을 초월하는지 확인하기 위해.
• 스펙트로포지터리 및 천체측위 기반 거리 일관성에 기반해 주계열 항성과 퇴화된 파란 수평가지(비헤이브러니티) 항성들을 구분하기 위해.

제안 방법

• 가우스 DR2 자료를 이용해 GBP−GRP ≤ 0.05, |b| ≥ 15°, 태양계절각 정밀도 <30%, 이동 속도 ≥150 km s⁻¹ 조건을 만족하는 약 2300개의 후보자를 선별함.
• 효율 온도, 표면 중력도, 라디얼 속도, 간섭성 적색화 정도를 도출하기 위해 48개의 항성에 대해 저해상도 광학 스펙트로스코피를 확보함.
• 스펙트로포지터리 거리와 천체측위 기반 거리를 계산하고 비교하여 주계열 항성과 퇴화된 BHB 항성들을 구분함.
• 주계열 후보자의 은하 궤도를 과거로 거슬러 올라가 추적하여 가장 최근의 은하 평면 통과 시점과 비행 시간을 추정함.
• 라디얼 속도 및 운동량 데이터를 사용해 탈출 속도를 계산하고 은하 탈출 가능성을 평가함.
• 거리 일관성 기반으로 항성들을 분류함: 12개의 주계열 후보자, 27개의 BHB 후보자, 2개의 뜨거운 퇴화 항성, 7개의 분류되지 않은 물체.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가우스 DR2 천체측위 및 광도 측정은 10 kpc 이내의 고위도 파란 주계열 도망자 항성 후보자를 효율적으로 선별할 수 있는가?
• RQ2 식별된 항성들의 탈출 속도가 고전적 이중성 초신성 및 천체역학적 탈출 모델의 상한선인 400–500 km s⁻¹를 초월하는가?
• RQ3 이 샘플에서 스펙트로포지터리 거리와 천체측위 기반 거리가 주계열 항성과 파란 수평가지 항성들을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ4 가장 빠른 후보자의 은하 탈출 가능성은 얼마이며, 그 운동학적 특성은 유 bound 또는 비유 bound 궤도를 지지하는가?
• RQ5 탈출 속도가 450 km s⁻¹를 초과하는 세 개의 항성이 항성 탈출 메커니즘에 대한 이해에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 12개의 주계열 항성이 도망자 후보로 확인되었으며, 질량은 2에서 6 M⊙ 사이이고 탈출 속도는 200에서 802+129−115 km s⁻¹ 사이였다.
• 세 개의 항성—2207−4329, 2259−4931, 2307−3157—는 탈출 속도가 450 km s⁻¹를 초과하여 고전적 탈출 모델에 도전한다.
• 가장 빠른 항성인 2207−4329는 측정된 탈출 속도가 802+129−115 km s⁻¹이며, 주계열 항성으로 확인되면 은하 탈출 가능성이 비가소적일 수 있다.
• 모든 12개의 주계열 후보자들은 은하 중심으로부터 2에서 16.5 kpc 이내에서 탈출했으며, 그들의 진화 연령보다 짧은 비행 시간을 가지므로 도망자 가설을 지지한다.
• 27개의 항성이 파란 수평가지(BHB) 후보자로 분류되었으며, 헬로 인구 운동학과 일치한다.
• 정확한 표면 회전 속도 및 화학 조성 측정을 통해 주계열 상태를 확인하기 위해 고해상도 스펙트로스코피가 필요하다.