[논문 리뷰] The NGC 346 massive star census: Nitrogen abundances for apparently single, narrow lined, hydrogen core burning B-type stars

P. L. Dufton, C. J. Evans외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 99인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 소마그ellan운의 NGC 346 은하단에 있는 61개의 명백히 단일성인 수소 핵융합 중인 B형 항성에서 질소 농도를 조사하며, 표준 단일 항성 진화 모델(회전 혼합 포함)과 일치하지 않는 낮은 투영 회전 속도(ve sin i ≤40 km s−1)를 가진 질소가 풍부한 항성의 뚜렷한 초과를 발견한다. 이 초과는 약 5%의 단일 B형 항성 또는 ve sin i <40 km s−1인 항성의 약 40%로 추정되며, 자기장 또는 이중성 병합과 같은 대체 메커니즈다운 것으로 보이며, 이 두 메커니즘 모두 마그ellan운에서 관측된 빈도와 호환된다.

ABSTRACT

Analyses of large spectroscopic surveys of early-type stars in the LMC have found an excess of nitrogen enriched B-type targets with a vsini<40 km/s compared with the predictions of single star evolutionary models incorporating rotational mixing. By contrast the number of such targets with 40<vsini<80 km/s were consistent with such models. We have undertaken a similar analysis for 61 B-type similar targets, towards the young cluster, NGC 346 in the Small Magellanic Cloud (SMC). Approximately 65% could have nitrogen enhancements of less than 0.3 dex, consistent with them having experienced only small amounts of mixing due to their low rotational velocities. However as with the previous LMC surveys, an excess of stars with low projected rotational velocities, vsini<40 km/s and significant nitrogen enrichments is found. This is estimated to be approximately 5% of the total population of apparently single B-type stars or 40% of all stars with current rotational velocities of less than 40 km/s. For all three surveys, the presence of undetected binaries and other uncertainties imply that these percentages might be underestimated and indeed it is possible that all single stars with current rotational velocities of less than 40 km/s are nitrogen enriched. Possible explanations incorporate the effects of magnetic fields, via either a stellar merger followed by magnetic breaking or the evolution of a single star with a large magnetic field. Both mechanisms are compatible with the observed frequency of nitrogen-enriched stars in the Magellanic Clouds. Differences in the properties of the nitrogen-enriched stars compared with the remainder of the sample would be consistent with the former mechanism. For the latter, a qualitative comparison with evolutionary models incorporating magnetic fields is encouraging in terms of the amount of nitrogen enrichment and its presence in stars near the ZAMS.

연구 동기 및 목표

• SMC의 NGC 346에서 명백히 단일성인 수소 핵융합 중인 B형 항성의 질소 농도를 측정하기 위해, 낮은 투영 회전 속도(ve sin i ≤80 km s−1)를 가진 항성들을 대상으로 한다.
• ve sin i ≤40 km s−1인 질소가 풍부한 항성의 관측 수가 단일 항성 진화 모델(회전 혼합 포함)의 예측과 상당히 높은지 테스트한다.
• 낮은 회전 속도를 가진 B형 항성에서 질소 농도 풍부화의 빈도를 평가하고, 이는 회전 혼합의 체계적 결핍을 암시하는지 또는 자기장 또는 이중성 병합과 같은 대체 메커니즘을 요구하는지 평가한다.
• 이전의 LMC 설문조사(FSMS 및 VFTS)와 비교하여 마그ellan운 전반에서 일관된 패턴을 식별한다.

제안 방법

• NGC 346에 있는 61개의 B형 항성에 대해 고해상도 FLAMES/GIRAFFE 데이터(R ≈ 20,000)를 사용한 분광 분석(3854–4760 Å 범위).
• 신호 대 잡음비 및 스펙트럼 품질 향상을 위해 HR02 스펙트럼의 중앙값 또는 σ-클러핑 알고리즘을 사용한 재구성.
• Hunter et al. (2008b) 및 Dufton et al. (2019)의 데이터를 활용해 프로파일 피팅을 통해 투영 회전 속도(ve sin i) 추정.
• 3995 Å에서의 N ii 선을 사용하여 질소 농도 결정하며, 혼합 및 대기 매개변수 보정을 포함.
• 단일 항성 진화 모델(회전 혼합 포함)의 예측과 비교하여 관측된 질소 풍부 항성 빈도 분석.
• 낮은 기울기 각도에서 빠르게 도는 항성의 관측 수를 모델링하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 관측 데이터와의 일관성 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ve sin i ≤40 km s−1인 질소가 풍부한 B형 항성의 관측 수가 회전 혼합을 포함한 단일 항성 진화 모델의 예측보다 유의미하게 높은가?
• RQ2 ve sin i <40 km s−1인 명백히 단일 B형 항성 중 질소가 풍부한 항성의 비율은 얼마이며, 이는 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 NGC 346의 질소가 풍부한 항성의 특성은 병합 후 자기력 브레이킹 또는 강력한 자기장을 가진 단일 항성의 진화와 어느 쪽과도 일치하는가?
• RQ4 SMC의 NGC 346 설문조사 결과는 이전 LMC 설문조사(FSMS 및 VFTS)와 비교해 낮은 회전 속도 B형 항성에서의 질소 농도 풍부화 빈도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 감지되지 않은 이중성 또는 관측 한계가 낮은 속도 B형 항성에서의 진짜 질소 농도 풍부화 빈도를 과소평가하고 있을 수 있는가?

주요 결과

• 표본에 포함된 61개의 SMC B형 항성 중 약 65%는 0.3 dex 이하의 질소 농도 향상을 보이며, 낮은 회전 속도로 인한 최소한의 회전 혼합과 일치한다.
• ve sin i ≤40 km s−1인 질소가 풍부한 항성의 초과가 관측되며, 이는 표본 내 명백히 단일 B형 항성 전체의 약 ~5%로 추정된다.
• 이 초과는 ve sin i <40 km s−1인 모든 항성의 약 ~40%를 차지하며, 이는 이전 두 개의 LMC 설문조사에서 관측된 빈도와 유사하다.
• 낮은 ve sin i를 가진 항성에서 질소가 풍부한 항성의 관측 빈도는 단일 항성 모델(회전 혼합 포함)의 예측과 일치하지 않으며, 특히 저속도 그룹에서 더욱 그렇다.
• 결과는 낮은 속도 B형 항성에서의 진짜 질소 농도 풍부화 빈도가 감지되지 않은 이중성 및 관측 한계로 인해 과소평가되고 있을 수 있으며, 이 모든 항성이 질소가 풍부할 가능성도 있다.
• 두 메커니즘—병합 후 자기력 브레이킹 또는 강력한 자기장을 가진 단일 항성의 진화—는 모두 마그ellan운에서 관측된 질소가 풍부한 항성의 빈도와 호환된다.