[논문 리뷰] The VLT-FLAMES Tarantula Survey II: R139 revealed as a massive binary system

W. D. Taylor, C. J. Evans외 23명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2011. 03. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 25인용 수 24

한 줄 요약

VLT-FLAMES 타란툴라 설문조사에서는 30 도라두스의 R139가 두 개의 진화한 O형 초거성으로 구성된 다량의 이중선 스펙트로스코픽 이중성계로 규명되었으며, 궤도는 153.9일의 매우 타원형으로, 질량 한계는 각각 78±8 M☉ 및 66±7 M☉이다. 이 시스템은 진화한 O형 초거성으로서 알려진 가장 질량이 큰 이중성계로, 별의 진화 및 대기 모델에 대한 중요한 시험 사례를 제공한다.

ABSTRACT

We report the discovery that R139 in 30 Doradus is a massive spectroscopic binary system. Multi-epoch optical spectroscopy of R139 was obtained as part of the VLT-FLAMES Tarantula Survey, revealing a double-lined system. The two components are of similar spectral types; the primary exhibits strong C III 4650 emission and is classified as an O6.5 Iafc supergiant, while the secondary is an O6 Iaf supergiant. The radial-velocity variations indicate a highly eccentric orbit with a period of 153.9 days. Photometry obtained with the Faulkes Telescope South shows no evidence for significant variability within an 18 month period. The orbital solution yields lower mass limits for the components of M1sin^3 i = 78 \pm 8 Msun and M2sin^3 i = 66 \pm 7 Msun. As R139 appears to be the most massive binary system known to contain two evolved Of supergiants, it will provide an excellent test for atmospheric and evolutionary models.

연구 동기 및 목표

• 30 도라두스 지역의 밝은 다량의 별인 R139의 이중성과 궤도 파ram을 규명하는 것.
• 반경 속도 변화와 광도 데이터를 이용하여 두 성분의 진화 상태와 질량 추정치를 평가하는 것.
• 높은 질량과 진화 상태로 인해 별 대기 및 진화 모델의 기준 시스템으로서의 중요성을 평가하는 것.
• 고주기적이고 다중 에포크 스펙트로스코피를 활용하여 이전에 R139를 단일성 또는 이중성으로 갈라진 분류를 해결하는 것.
• 관측된 성질을 진화 궤적과 광도 피팅 예측과 비교하여 다량의 별 진화 이론 모델을 시험하는 것.

제안 방법

• FLAMES/Giraffe를 사용하여 VLT에서 다중 에포크 옵티컬 스펙트로스코피를 확보하였으며, 전체 가시광선 스펙트럼을 커버하기 위해 MagE, X-Shooter, FEROS를 후속 관측으로 활용하였다.
• 흡수선과 발산선, 특히 C III λ4650를 통해 반경 속도 변화를 측정하여 궤도 운동을 탐지하고 궤도 요소를 유도하였다.
• 케플러 운동 모델을 사용하여 궤도 해를 계산하였으며, 153.9일의 주기와 매우 타원형 궤도에 부합하는 이심률을 도출하였다.
• 반경 속도 진폭에서 질량 함수를 유도하여, M₁sin³i = 78±8 M☉ 및 M₂sin³i = 66±7 M☉의 하한 질량을 도출하였다.
• χ² 최소화 방법을 사용하여 진화 궤적(Brott et al. 2011; Friedrich et al. in prep.)에 광도와 효율 온도를 피팅하여 현재와 초기 질량을 추정하였다.
• 초기 등속도 110 km s⁻¹를 가정하여 회전 효과를 모델링하였으며, 관측된 vsini 값과 일치하고, 궤적에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R139는 스펙트로스코픽 이중성인가? 그리고 성분들의 궤도 파ram은 무엇인가?
• RQ2 R139의 두 별에 대한 질량 추정치는 무엇이며, 진화 모델 예측과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 R139 성분들의 관측된 광도와 효율 온도는 이론적 진화 궤적과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 두 별 간의 관측된 온도 차이가 스펙트럼 유형 기반 예측과 얼마나 다를까?
• RQ5 R139는 다량의 별 진화 및 대기 모델에 대한 시험 사례로서 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• R139는 매우 타원형 궤도(153.9일)와 100 km s⁻¹ 이상의 반경 속도 변화를 보이는 双선 스펙트로스코픽 이중성으로 확인되었다.
• 궤도 해석을 통해 주성에 대해 78±8 M☉, 부성에 대해 66±7 M☉의 하한 질량 한계를 도출하였으며, 이는 극도로 질량이 큰 시스템임을 시사한다.
• 시스템의 총 광도는 初기 질량 125 M☉ 이상의 단일 별과 일치하며, 양 성분이 매우 진화된 상태임을 시사한다.
• χ² 피팅을 사용한 진화 모델링을 통해 냉각된 주성의 현재 질량은 75±14 M☉, 더 뜨거운 부성은 62±11 M☉로 추정되었으며, 궤도 질량 한계와 일치하였다.
• CMFGEN 모델링을 통한 효율 온도 추정치는 34±2 kK이며, 시스템 연령은 약 2–2.5 Myr로 추정되었으며, 양 성분이 영초주(main sequence)에서 상당히 떨어져 진화된 상태임을 시사한다.
• 두 성분 간의 관측된 온도 차이는 유사한 스펙트럼 유형(O6.5 Iaf 및 O6 Iaf)에 기반한 예측을 초월하며, 현재 다량의 별 물리 모델의 잠재적 한계를 시사한다.