[논문 리뷰] The VLT-FLAMES Tarantula Survey XIX. B-type Supergiants - Atmospheric parameters and nitrogen abundances to investigate the role of binarity and the width of the main sequence

C. M. McEvoy, P. L. Dufton외 20명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2014. 12. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 63인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 비-LTE TLUSTY 모델 대기 구조를 사용하여 VLT-FLAMES Tarantula Survey에서 단일 및 이중 B형 초거성의 대기 파aram터와 질소 농도를 처음으로 체계적으로 비교한다. 주계열은 약 ~20,000 K까지 낮은 온도로 연장될 수 있으며, 단일 및 이중 초거성 모두에서 유사한 질소 농도 증가가 관찰되어, 자전을 포함한 단일별 진화 모델이 관측 결과를 설명할 수 있음을 시사하지만, 농도 분포의 미세한 차이는 서로 다른 진화 경로를 암시할 수 있다.

ABSTRACT

TLUSTY non-LTE model atmosphere calculations have been used to determine atmospheric parameters and nitrogen (N) abundances for 34 single and 18 binary B-type supergiants (BSGs). The effects of flux contribution from an unseen secondary were considered for the binary sample. We present the first systematic study of the incidence of binarity for a sample of BSGs across the theoretical terminal age main sequence (TAMS). To account for the distribution of effective temperatures of the BSGs it may be necessary to extend the TAMS to lower temperatures. This is consistent with the derived distribution of mass discrepancies, projected rotational velocities (vsini) and N abundances, provided that stars cooler than this temperature are post RSG objects. For the BSGs in the Tarantula and previous FLAMES surveys, most have small vsini. About 10% have larger vsini (>100 km/s) but surprisingly these show little or no N enhancement. All the cooler BSGs have low vsini of <70km/s and high N abundance estimates, implying that either bi-stability braking or evolution on a blue loop may be important. A lack of cool binaries, possibly reflects the small sample size. Single star evolutionary models, which include rotation, can account for the N enhancement in both the single and binary samples. The detailed distribution of N abundances in the single and binary samples may be different, possibly reflecting differences in their evolutionary history. The first comparative study of single and binary BSGs has revealed that the main sequence may be significantly wider than previously assumed, extending to Teff=20000K. Some marginal differences in single and binary atmospheric parameters and abundances have been identified, possibly implying non-standard evolution for some of the sample. This sample as a whole has implications for several aspects of our understanding of the evolution of BSGs. Full abstract in paper

연구 동기 및 목표

• 단일 및 이중 시스템 간의 대기 파aram터와 질소 농도를 비교하여 이중성의 B형 초거성의 진화 역사에서의 역할을 조사한다.
• 관측된 표면 온도 분포와 질소 농도 분포가 이론적 종말 주계열(TAMS)을 더 낮은 온도로 연장할 필요가 있는지 평가한다.
• 이중성 상호작용이 단일 초거성과 비교할 때 질소 표면 농도나 회전 속도에 중대한 영향을 미치는지 확인한다.
• 자전을 포함한 단일별 진화 모델이 단일 및 이중 초거성의 관측된 성질을 설명하는 데 타당한지 평가한다.
• 냉각된 초거성에서 낮은 투영 회전 속도와 높은 질소 농도의 의미를 이중 안정성 브레이킹 또는 파랑 루프 진화와 같은 진화 메커니즘과 연결지어 본다.

제안 방법

• 비-LTE TLUSTY 모델 대기 계산을 사용하여 실리콘 이온화 균형 기법을 통해 표면 온도를 유도하였으며, 더 뜨거운 별의 경우 헬륨 이온화를 사용하였다.
• 표면 중력은 발머 선 프로파일에서 추정하였고, 마이크로터뷰런트 속도는 실리콘 스펙트럼에서 유도하였다.
• 질소 농도 또는 상한선은 N II 스펙트럼 선을 기반으로 결정하였으며, 이중성 시스템에서 보이지 않는 동반성의 잠재적 복사 기여에 대한 보정을 적용하였다.
• 이중성의 영향은 보조성의 복사 유입을 모델링하여 평가하였으며, 일부 대상에 대해 재분석을 위해 fastwind 코드를 사용하여 결과를 검증하였다.
• 34개의 단일 및 18개의 이중 B형 초거성 간의 대기 파aram터와 농도를 비교하여 체계적 차이를 탐지하였다.
• 이론적 TAMS와 관측된 표면 온도를 비교하여 주계열을 더 낮은 온도로 연장할 필요성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Tarantula Nebula 내 B형 초거성에서 이중성이 대기 파aram터나 질소 농도에 중대한 영향을 미치는가?
• RQ2 B형 초거성의 관측된 표면 온도 분포는 이론적 종말 주계열과 일치하는가, 아니면 더 낮은 온도로 연장이 필요한가?
• RQ3 자전을 포함한 단일별 진화 모델이 단일 및 이중 초거성 모두에서 관측된 질소 농도 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ4 투영 회전 속도의 관측된 이중성 분포, 특히 vsini ≥ 100 km s⁻¹에서 질소 농도 증가가 없는 현상의 의미는 무엇인가?
• RQ5 낮은 vsini와 높은 질소 농도를 보이는 냉각 초거성은 이중 안정성 브레이킹 또는 파랑 루프 진화와 같은 진화 시나리오를 지지하는가?

주요 결과

• B형 초거성의 주계열은 더 낮은 표면 온도까지 연장될 수 있으며, 관측된 온도 분포와 질량 불일치를 바탕으로 이론적 TAMS가 약 ~20,000 K에 위치할 수 있음을 시사한다.
• 단일 및 이중 B형 초거성 간의 대기 파aram터나 질소 농도에 중대한 차이가 없었으며, 이는 이중성이 샘플 내에서 이러한 성질에 중대한 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.
• 예측된 TAMS 이하의 표면 온도에서 16개의 초거성이 발견되어 이론적 주계열을 더 낮은 온도로 연장할 필요가 있음을 시사한다.
• 투영 회전 속도 분포는 약 ~50 km s⁻¹에서 피크를 이룬다. 이 중 65%가 30–60 km s⁻¹ 범위에 속하며, vsini ≥ 100 km s⁻¹인 별들(샘플의 10%)은 질소 농도 증가가 거의 없거나 전혀 없었다.
• 모든 냉각 초거성(Teff < 20,000 K)은 낮은 vsini(< 70 km s⁻¹)와 높은 질소 농도를 보이며, 이는 이중 안정성 브레이킹 또는 파랑 루프 진화와 같은 진화 메커니즘과 일치한다.
• 중간 정도의 초기 자전 속도(v₀ ≤ 400 km s⁻¹)를 포함한 단일별 진화 모델은 단일 및 이중 샘플 모두에서 관측된 모든 질소 농도 증가를 재현할 수 있으나, 질소 농도 분포의 미세한 차이는 서로 다른 진화 역사를 반영할 수 있다.