[논문 리뷰] The pre- versus post-main sequence evolutionary phase of B[e] stars: Constraints from 13CO band emission

M. Kraus|ArXiv.org|2009. 01. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 58인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 B[e] 항성의 주계열 전 및 주계열 후 진화 단계를 구분하기 위해 K-band 스펙트럼에서 13CO 밴드 방출을 진단 도구로 사용할 것을 제안한다. 이는 주계열 후 진화 과정에서 12C/13C 비율이 약 20 이하로 감소하기 때문이다. 해상도 R ~ 1500–3000인 스펙트럼에서 검출 가능한 13CO 방출은 거시적 거리 추정이 어려운 별이나 표면이 은폐된 별의 경우에도 진화 상태를 신뢰성 있게 나타내는 강력한 지표가 된다.

ABSTRACT

Many galactic B[e] stars suffer from improper distance determinations, which make it difficult to distinguish between a pre- and post-main sequence evolutionary phase on the basis of luminosity arguments. In addition, these stars have opaque circumstellar material, obscuring the central star, so that no detailed surface abundance studies can be performed. We propose a different indicator for the supergiant status of a B[e] star, based on the enrichment of its circumstellar matter by 13C, and detectable via its 13CO band emission in the K band spectra. Based on stellar evolution models, we calculate the variation of the 12C/13C isotopic surface abundance ratio during the evolution of non-rotating stars with different initial masses. For different values of the 12C/13C ratio we then compute synthetic first-overtone vibration-rotational band spectra from both the 12CO and 13CO molecule at different spectral resolutions. We further discuss the influence of stellar rotation on the variation of the surface 12C/13C ratio. The surface 12C/13C isotope ratio is found to decrease strongly during the post-main sequence evolution of non-rotating stars, from its interstellar value of about 70 to a value of about 15-20 for stars with initial masses higher than 7 M_sun, and to a value of less than 5 for stars with initial masses higher than 25 M_sun. We find that detectable 13CO band head emission is produced for isotope ratios 12C/13C < 20, and can most easily be detected with a spectral resolution of R ~ 1500...3000. For the rotating stellar models, the drop in 12C/13C already occurs for all stars with M > 9 M_sun during the main-sequence evolution. The detection of 13CO band head emission in such mid-resolution K band spectra of a B[e] star thus favours an evolved rather than a young nature of the object.

연구 동기 및 목표

• 불확실한 거리와 휘도 추정으로 인해 B[e] 항성을 주계열 전 또는 주계열 후로 분류하는 데 어려움이 있다.
• 표면이 은폐되어 있어 직접적인 표면 농도 분석이 어려운 B[e] 항성의 한계를 극복한다.
• 특히 13CO 밴드에서의 13C 이sov이온 농도를 기반으로 한 원환성 물질의 이sov이온 농도 증가를 활용해 진화 단계를 대체 지표로 개발한다.
• 검출 가능한 13CO 방출을 진화 상태의 대체 지표로 활용해 미분류된 B[e] 항성을 분류하는 방법을 제공한다.
• 항성 회전이 12C/13C 비율과 13CO 검출 가능성에 미치는 영향을 평가하여 분류 신뢰도를 향상시킨다.

제안 방법

• 초기 질량과 진화 단계에 따라 표면 12C/13C 이sov이온 비율을 계산하기 위해 비회전 및 회전 항성 진화 모델을 사용한다.
• 항성 진화 모델을 활용해 주계열 후 진화 과정에서 12C/13C 비율이 은하간 값(~70)에서 7 M⊙ 이상의 항성의 경우 약 15–20, 25 M⊙ 이상의 항성의 경우 5 이하로 감소함을 예측한다.
• 다양한 해상도(R ~ 1500–3000)에서 12CO 및 13CO의 첫 번째 과도 진동-회전 밴드 스펙트럼을 시뮬레이션하기 위해 합성한다.
• 12C/13C 비율에 기반해 13CO 밴드 헤드 방출의 검출 가능 임계치를 평가하며, 비율이 약 20 이하로 떨어질 경우에만 검출 가능함을 확인한다.
• 항성 회전이 12C/13C 표면 비율 진화에 미치는 영향을 평가하여, 비틀림 모델에서 M_in > 9 M⊙인 항성의 경우 주계열 기간 동안 비율이 20 이하로 떨어지며 조기에 13CO 방출을 검출할 수 있음을 보여준다.
• 기존의 B[e] 초거성(예: GG Car, CPD-57 2874)에서 관측된 13CO 검출 결과와 모델 예측을 비교하여 방법의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 K-band 스펙트럼에서 13CO 밴드 방출은 B[e] 항성의 진화 단계를 신뢰할 만한 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ2 중간 해상도 K-band 스펙트럼에서 13CO 밴드 방출이 검출 가능한 12C/13C 비율은 어느 정도인가?
• RQ3 항성 회전은 12C/13C 표면 비율의 진화와 13CO 밴드 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 13CO 방출은 분류가 불확실한 B[e] 항성을 주계열 전 또는 주계열 후로 나누는 데 얼마나 효과적으로 기여하는가?
• RQ5 GG Car 및 CPD-57 2874와 같은 항성에서 관측된 13CO 검출 결과는 모델 예측과 어떻게 비교되며, 이는 휘도 또는 初기 회전 속도에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 초기 질량 >7 M⊙인 주계열 후 항성의 표면 12C/13C 비율은 은하간 값(~70)에서 약 15–20으로 감소하며, 초기 질량 >25 M⊙인 항성의 경우 5 이하로 감소한다.
• 12C/13C 비율이 약 20 이하로 떨어지면 13CO 밴드 헤드 방출이 검출 가능해지며, 이는 진화된 진화 단계를 나타낸다.
• 13CO 밴드를 검출하기에 최적의 해상도는 R ~ 1500–3000이며, 이는 신호 강도와 스펙트럼 세부 정보 사이의 균형을 이룬다.
• 회전 항성의 경우, 초기 질량 >9 M⊙인 항성의 경우 주계열 기간 동안 12C/13C 비율이 20 이하로 떨어지므로, 13CO 방출을 조기에 검출할 수 있다.
• GG Car에서의 13CO 방출 검출 결과는 B[e] 초거성으로서의 분류와 일치하지만, 관측된 밴드 강도는 모델 예측과 상충되며, 이는 휘도/질량이 과소평가되었거나, 가정된 것보다 더 높은 초기 회전 속도를 가졌을 가능성을 시사한다.
• CPD-57 2874 및 기타 B[e] 항성에서의 13CO 검출 결과는 이 방법이 분류되지 않은 B[e] 항성을 진화된 초거성으로 분류하는 데 잠재적 가능성을 뒷받침한다.