[논문 리뷰] S stars and s-process in the Gaia era I. Stellar parameters and chemical abundances in a sub-sample of S stars with new MARCS model atmospheres

S. Shetye, S. Van Eck외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 63인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 HERMES 스펙트럼, Gaia DR2 파라렐랙스, 그리고 새로 개발된 MARCS 모델 대기구조를 사용하여 19개의 S형 항성의 별성 파arameters와 s-과정 원소 농도를 분석한다. 연구 결과 Tc가 풍부한 (내재적) S형 항성은 Nb가 빈약하고 TP-AGB 상에 위치하며, Tc가 빈약한 (외재적) S형 항성은 Nb가 풍부하고 RGB 또는 초기 AGB 상에 위치함을 확인하여, 이중성 질량 이 trasfer와 제3의 덮개업(3DUP) 사건에 의해 형성된 서로 다른 진화 경로를 밝혀낸다.

ABSTRACT

S stars are transition objects between M-type giants and carbon stars on the asymptotic giant branch (AGB). They are characterized by overabundances of s-process elements. Roughly half of them are enhanced in technetium (Tc), an s-process element with no stable isotope, while the other half lack technetium. This dichotomy arises from the fact that Tc-rich S stars are intrinsically producing s-process elements and have undergone third dredge-up (TDU) events, while Tc-poor S stars owe their s-process overabundances to a past pollution by a former AGB companion. Our aim is to analyse the abundances of S stars and gain insights into their evolutionary status and on the nucleosynthesis of heavy s-process elements taking place in their interior. In particular, the location of extrinsic and intrinsic S stars in the HR diagram will be compared with the theoretical onset of the TDU on the thermally-pulsing AGB. A sample of 19 S-type stars was analysed by combining HERMES high-resolution spectra, accurate Gaia Data Release 2 (GDR2) parallaxes, stellar-evolution models, and newly-designed MARCS model atmospheres for S-type stars. Combining the derived parameters with GDR2 parallaxes allows a joint analysis of the location of the stars in the Hertzsprung-Russell diagram and of their surface abundances. For all 19 stars, Zr and Nb abundances are derived, complemented by abundances of other s-process elements for the three Tc-rich S stars. These abundances agree within the uncertainties with nucleosynthesis predictions for stars of corresponding mass, metallicity and evolutionary stage. Most extrinsic S stars lie close to the tip of the red giant branch (RGB), and a few are located along the early AGB. The location of intrinsic S stars in the HR diagram is compatible with them being thermally-pulsing AGB stars.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트럼과 향상된 모델 대기구조를 활용하여 S형 항성의 정확한 별성 파arameters와 s-과정 원소 농도를 결정한다.
• Hertzsprung-Russell 다이어그램 상의 위치와 표면 농도를 통해 내재적과 외재적 S형 항성의 진화 상태를 명확히 한다.
• 관측된 Zr와 Nb 농도를 이론적 모델과 비교하여 AGB 항성에서의 s-과정 핵합성 예측을 검증한다.
• 특히 Tc가 풍부한 항성 V915 Aql에서 제3의 덮개업(TDU)의 존재를 통해 1 M⊙ 이상의 저질량 항성에서도 TDU가 발생할 수 있음을 조사한다.
• T_eff, log g, C/O, [s/Fe] 간의 딜레마로 인한 대기 파arameter 결정의 모호함을 해결하기 위해 새로운 스펙트럼 피팅 방법을 적용한다.

제안 방법

• S형 항성을 위해 특별히 설계된 새로운 MARCS 모델 대기구조 그리드를 활용하여 T_eff, log g, [Fe/H], C/O, [s/Fe] 범위를 커버한다.
• 관측된 고해상도, 고S/N의 HERMES 스펙트럼을 새로운 MARCS 그리드의 합성 스펙트럼과 자동으로 피팅하는 방법을 적용한다.
• 유도된 대기 파arameter와 Gaia DR2 파라렐랙스를 조합하여 절대 등급을 계산하고 항성들을 Hertzsprung-Russell 다이어그램에 위치시킨다.
• 별진화 모델을 활용하여 항성의 위치와 유도된 파arameter를 바탕으로 각 항성의 진화 단계를 해석한다.
• 스펙트럼 합성과 선별 분석을 통해 Zr, Nb 및 기타 s-과정 원소의 농도를 계산하며, 모델 피팅에서 유도된 불확실성을 반영한다.
• 관측된 농도 패턴을 다양한 질량과 금속성의 TP-AGB 항성에 대한 핵합성 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S형 항성에서 관측된 Zr와 Nb 농도는 AGB 항성에서의 s-과정 핵합성 이론 예측과 일치하는가?
• RQ2 S형 항성에서 관측된 Tc 이분화 현상은 니오브늄과 같은 다른 s-과정 원소의 농도에 반영되는가?
• RQ3 외재적 및 내재적 S형 항성은 Hertzsprung-Russell 다이어그램에서 어디에 위치하며, 이러한 위치는 제3의 덮개업의 시작과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 T_eff, log g, C/O, [s/Fe] 간의 딜레마로 인해 S형 항성의 대기 파arameter가 신뢰성 있게 결정될 수 있는가?
• RQ5 V915 Aql에서 Tc의 존재는 AGB 항성에서 제3의 덮개업이 발생할 수 있는 질량 하한선이 1 M⊙ 수준일 수 있음을 시사하는가?

주요 결과

• Tc가 풍부한 S형 항성 V915 Aql은 Nb가 빈약한 농도를 보이며, 지속적인 제3의 덮개업과 일치하고, TP-AGB 상에 위치해 있어 TDU가 1 M⊙ 이상의 항성에서도 발생할 수 있음을 시사한다.
• Tc가 빈약한 외재적 S형 항성들은 Nb가 풍부하며 빨간색 거대성 가지(RGB) 또는 초기 초거대성 가지(E-AGB) 상에 위치해 있어 바륨 항성의 더 차가운 유사체임을 시사한다.
• 내재적 S형 항성인 NQ Pup과 UY Cen은 TP-AGB 상에 위치해 있으며, UY Cen는 이론적 TDU 시작 지점보다 훨씬 위에 위치해 있어 높은 s-과정 과잉 농도와 높은 C/O 비율(0.999)과 일치한다.
• 명백한 경향이 관측된다: 적외선 과잉 증가, C/O 비율 증가, s-과정 과잉 농도 증가와 함께 효과적 온도가 감소함을 보이며, 이는 SC형 항성 단계로의 점진적 진화를 나타낸다.
• 새로운 MARCS 모델 그리드를 사용한 스펙트럼 피팅 방법은 파arameter의 딜레마를 성공적으로 해결하고 고해상도 관측 스펙트럼과 일치하는 합성 스펙트럼을 생성하여 신뢰할 수 있는 농도 결정을 가능하게 한다.
• 내재적 및 외재적 S형 항성에서 관측된 Zr와 Nb 농도는 해당 질량, 금속성, 진화 단계에 맞는 핵합성 예측과 양호한 일치를 보인다.