[논문 리뷰] The Tarantula Massive Binary Monitoring: I. Observational campaign and OB-type spectroscopic binaries

L. A. Almeida, H. Sana외 25명|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|2016. 10. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 45인용 수 55

한 줄 요약

이 연구는 2013–2014년 동안 VLT의 FLAMES/GIRAFFE 분광계를 사용하여 30 Doradus 영역 내 102개의 거대 이중성계에 대한 최초의 종합적인 도플러 속도 모니터링을 수행하였으며, 82개 시스템(51개의 SB1 및 31개의 SB2)에 대해 궤도 해를 도출하였다. 연구 결과, 대마젤란은행의 궤도 주기 분포가 은하수와 놀랄 정도로 유사함을 확인하였으며, 금속성의 차이에도 불구하고 환경적 영향이 거대 이중성계의 성질에 거의 작용하지 않는다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Massive binaries (MBs) play a crucial role in the Universe. Knowing the distributions of their orbital parameters (OPs) is important for a wide range of topics, from stellar feedback to binary evolution channels, from the distribution of supernova types to gravitational wave progenitors, yet, no direct measurements exist outside the Milky Way. The Tarantula Massive Binary Monitoring was designed to help fill this gap by obtaining multi-epoch radial velocity monitoring of 102 MBs in the 30 Dor. In this paper, we analyse 32 VLT/FLAMES observations of 93 O- and 7 B-type binaries. We performed a Fourier analysis and obtained orbital solutions for 82 systems: 51 single- and 31 double-lined spectroscopic binaries. Overall, the OPs and binary fraction are remarkably similar across the 30 Dor region and compared to existing Galactic samples (GSs). This indicates that within these domains environmental effects are of second order in shaping the properties of MBs. A small difference is found in the distribution of orbital periods (OrbPs), which is slightly flatter (in log space) in 30 Dor than in the Galaxy, although this may be compatible within error estimates and differences in the fitting methodology. Also, OrbPs in 30 Dor can be as short as 1.1 d; somewhat shorter than seen in GSs. Equal mass binaries q>0.95 in 30 Dor are all found outside NGC 2070 the very young and massive cluster at 30 Dor's core. One outstanding exception however is the fact that earliest spectral types (O2-O7) tend to have shorter OrbPs than latter (O9.2-O9.7). Our results point to a relative universality of the incidence rate of MBs and their OPs in the metallicity range from solar ($Z_{\odot}$) to about $0.5Z_{\odot}$. This provides the first direct constraints on MB properties in massive star-forming galaxies at the Universes peak of star formation at redshifts z~1 to 2, which are estimated to have $Z~0.5Z_{\odot}$.

연구 동기 및 목표

• 은하수 외부에서 거대 별 형성 연구의 핵심 지역인 30 Doradus 영역 내 거대 이중성계의 궤도 매개변수를 측정하기 위해.
• 은하수 샘플과 비교하여 저금속성(LMC)이 거대 이중성계의 궤도 주기 및 이심률 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• NGC 2070 및 NGC 2060와 같은 30 Doradus의 다양한 하위영역에서의 이중성계 성질의 공간적 변동성을 분석하여 환경적 요인과 진화적 영향을 탐구하기 위해.
• 등질량 이중성계와 그들의 공간 분포를 식별하고 특성화하기 위해, 특히 중심 R136a 은하단과의 관련성에 초점을 맞추기 위해.
• 초기 이중성 분포와 진화 경로를 추론하기 위해 향후 스펙트럼 분리 및 인구 합성 모델링을 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 2013–2014년 동안 VLT의 FLAMES/GIRAFFE 분광계를 사용하여 다중 에포크 도플러 속도 모니터링을 수행하였다.
• 스펙트럼 이중성계의 주기적 신호를 탐지하고 궤도 해를 유도하기 위해 도플러 속도 곡선에 푸리에 분석을 수행하였다.
• 스펙트럼 선의 행동에 따라 시스템을 단선형(SB1) 또는 双선형(SB2) 스펙트럼 이중성계로 분류하였다.
• 관측된 주기 분포를 은하수 샘플과 비교하기 위해 통계 모델링을 활용하여 탐지 편향을 보정하였다.
• 특정 영역 간의 궤도 매개변수의 공간적 변동성을 분석하였으며, 이는 각각 중심 은하단인 NGC 2070, 더 오래된 은하단인 NGC 2060, 그리고 필드 영역을 포함한다.
• 향후 작업으로 계획된 스펙트럼 분리 기법을 사용하여 개별 항성 스펙트럼을 복원하고 질량 비율 측정을 향상시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속성의 차이가 있는 상황에서 30 Doradus 영역 내 거대 이중성계의 궤도 주기 분포가 은하수 샘플과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 은하단의 밀도와 연령과 같은 환경적 요소가 30 Doradus 내 거대 이중성계의 궤도 성질에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 등질량 이중성계(q > 0.95)는 중심 R136a 은하단 외부에 선호적으로 분포되어 있는가? 이는 이중성계 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 초기 스펙트럼 유형의 O형 별(O2–O7)은 후기 유형(O9.2–O9.7)보다 체계적으로 짧은 궤도 주기를 가지는가? 이러한 경향은 무엇에 기인하는가?
• RQ5 다중성 및 스펙트럼 분류 편향이 거대 별의 휘도 계급 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 30 Doradus의 궤도 주기 분포는 은하수와 놀랄 정도로 유사하며, 1~1000일 사이의 로그 공간에서의 파wr-법칙 기울기(기울기)가 -0.1로 나타나 금속성에 의한 차이가 거의 없음을 시사한다.
• 30 Doradus의 궤도 주기 분포는 은하수 샘플보다 略적으로 평탄한 편이지만, 이 차이는 작고 오차 또는 피팅 방법의 불확실성 내에 있을 가능성이 있다.
• 30 Doradus에서는 최소 1.1일의 매우 짧은 궤도 주기를 관측하였으며, 이는 은하수 샘플에서 관측된 가장 짧은 주기보다 略적으로 짧다.
• 모든 등질량 이중성계(q > 0.95)는 중심 R136a 주변의 NGC 2070 외부에서 발견되었으며, 이는 고밀도 환경에서 이러한 시스템이 체계적으로 동역학적 또는 진화적 억제를 겪을 수 있음을 시사한다.
• 초기 스펙트럼 유형의 O형 별(O2–O7)은 후기 유형(O9.2–O9.7)보다 짧은 궤도 주기를 가지며, 이 경향은 초기 질량 함수 또는 이중성계 진화 효과와 관련이 있을 수 있다.
• NGC 2070의 이심도 분포는 필드와 약간 다름을 보이며, NGC 2060는 더 높은 비율의 SB1 시스템을 보이며, 이는 모두 이중성계 진화 기대와 정성적으로 일치한다.