[논문 리뷰] The two components of the evolved massive binary LZ Cep. Testing the effects of binarity on stellar evolution

L. Mahy, F. Martins외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 NARVAL 스펙트럼과 히파르코스 광도곡선을 사용하여 진화한 다량의 이중성인 LZ Cep의 세밀한 스펙트로스코픽 및 광도적 분석을 제시한다. 궤도 파aram터, 개별 항성 성질 및 질량을 결정한다. 주요 발견은 초기적으로 더 질량이 큰 보조성(현재 약 ~6.5 M☉)으로부터 주성(약 ~16.0 M☉)으로 효율적이지 않은 질량 이행이 발생했으며, 이로 인해 반결합된 구조로 전환되었고, 보조성은 핵 헬륨 연소 상태에 가까워졌으며 화학적으로 진화된 상태로, 월프레이너 스타처럼 보이지만 주성계 광도 계급을 유지하고 있다.

ABSTRACT

Aims. We present an in-depth study of the two components of the binary system LZCep in order to constrain the effects of binarity on the evolution of massive stars. Methods. We use a set of high-resolution, high signal-to-noise ratio optical spectra obtained over the orbital period of the system to perform a spectroscopic disentangling and derive an orbital solution. We subsequently determine the stellar properties of each component through an analysis with the CMFGEN atmosphere code. Finally, with the derived stellar parameters, we model the Hipparcos photometric light curve using the program NIGHTFALL to obtain the inclination and the real stellar masses. Results. LZCep is a O9III+ON9.7V binary. It is as a semi-detached system in which either the primary or the secondary star almost fills up its Roche lobe. The dynamical masses are about 16.0 $M_{\odot}$ (primary) and 6.5 M_{\odot}$ (secondary). The latter is lower than the typical mass of late-type O stars. The secondary component is chemically more evolved than the primary (which barely shows any sign of CNO processing), with strong helium and nitrogen enhancements as well as carbon and oxygen depletions. These properties (surface abundances and mass) are typical of Wolf-Rayet stars, although the spectral type is ON9.7V. The luminosity of the secondary is consistent with that of core He-burning objects. The preferred, tentative evolutionary scenario to explain the observed properties involves mass transfer from the secondary - which was initially more massive - towards the primary. The secondary is now almost a core He-burning object, probably with only a thin envelope of H-rich and CNO processed material. A very inefficient mass transfer is necessary to explain the chemical appearance of the primary. Alternative scenarios are discussed but they suffer from more uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 다량의 별 진화에 대한 이중성의 영향을 규명하기 위해 진화한 이중성인 LZ Cep를 연구한다.
• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 궤도 해법과 양성분의 개별 항성 파aram터를 결정한다.
• 표면 성분 농도와 광도 분석을 통해 별의 진화 상태를 조사한다.
• 히파르코스 광도측정 광도곡선을 사용하여 진짜 질량과 시스템 기울기를 유도한다.
• 관측된 성질, 특히 표면 성분 농도와 질량 비율을 바탕으로 이론적 이중성 진화 모델을 검증한다.

제안 방법

• LZ Cep의 궤도 주기를 포함하는 14일간의 고해상도, 고신호대비비율 NARVAL 스펙트럼을 확보하였다.
• 개별 성분의 스펙트럼을 분리하기 위해 스펙트로스코픽 분리 기법을 시행하였다.
• CMFGEN 대기 모델 코드를 적용하여 각 별의 항성 파aram터, 바람 성질 및 표면 성분 농도를 유도하였다.
• NIGHTFALL 프로그램을 사용하여 히파르코스 광도측정 광도곡선을 모델링하고 시스템 기울기를 결정하였다.
• 스펙트로스코픽 궤도 해법과 광도측정 기울기를 결합하여 역학적 질량을 유도하고 진화 시나리오를 검증하였다.
• 관측된 표면 성분 농도(N, He, C, O)가 이론적 이중성 진화 모델과 일치하는지 평가하였으며, 특히 케이스 A 이후 질량 이행에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LZ Cep의 두 성분에 대한 개별 항성 파aram터(Teff, log g, vrot, 질량, 광도)는 무엇인가?
• RQ2 질소, 헬륨, 탄소, 산소의 관측된 표면 농도는 단일 별 및 이중성 진화 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 궤도 기울기와 각 성분의 역학적 질량은 무엇이며, 스펙트로스코픽 질량 및 진화 질량과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ4 관측된 성질, 특히 낮은 질량과 주성계 광도 계급을 가진 보조성의 화학적으로 진화된 특성을 가장 잘 설명하는 진화 시나리오는 무엇인가?
• RQ5 관측된 시스템이 단일 별 진화 궤적에서 얼마나 벗어나 있으며, 이는 이중성 상호작용 모델에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 시스템은 궤도 주기가 3.070508일이고, 낮지만 0이 아닌 이심률(e ≈ 0.031)을 가지며, 거의 원형 궤도와 일치하는 반결합 이중성이다.
• 주성은 O9III로 분류되며 약 16.0 M☉의 질량을 가지며, 보조성은 ON9.7V로 약 6.5 M☉의 질량을 가지며, 일반적인 늦은 O형 별보다 훨씬 낮은 질량을 가진다.
• 보조성은 헬륨과 질소의 강한 표면 농도 증가와 함께 탄소와 산소의 농도 감소를 보이며, 이는 고도로 진행된 CNO 순환과 핵 헬륨 연소 상태로의 진화를 시사한다.
• 주성은 화학적 처리가 거의 없어, 매우 효율적이지 않은 질량 이행을 나타내며, 이는 표준 질량 이행 시나리오에서 예상되는 강한 농도 증가와 일치하지 않는다.
• 타원형 광도곡선 변화를 통해 시스템 기울기가 약 ~48°로 제약이 되었으며, 이는 진짜 역학적 질량이 스펙트로스코픽 해법과 일치함을 가능하게 하였다.
• 선호되는 진화 시나리오는 초기적으로 더 질량이 큰 보조성으로부터 주성으로의 질량 이행을 포함하며, 이로 인해 보조성이 얇은 수소 풍부, CNO 처리된 대류권을 가진 핵 헬륨 연소 물체로 전환되었다.