[논문 리뷰] The VLT-FLAMES Tarantula Survey. XXIII: two massive double-lined binaries in 30~Doradus

Ian D. Howarth, P. L. Dufton외 10명|Open Research Online (The Open University)|2015. 08. 24.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 대량 이중선 스펙트로스코픽 이중성 시스템인 VFTS 450과 VFTS 652를 30 Doradus 영역에서 분석한다. 라디얼 속도 곡선과 모델 대기층 피팅을 통해 주성은 질량이 적고, 로치 로브를 가득 채운 별이며, 질소 농축이 뚜렷한 것으로 밝혀졌다. 그러나 스펙트로스코픽 파arameter와 광도 측정 간의 일관성 없는 결과는 보조 성분 스펙트럼이 응집원반에 의해 가림을 받고 있음을 시사하며, 이는 고질량 알고일-유사 시스템에서 케이스-A 질량 이 trasfer를 암시한다. 관측 결과와 진화 모델 간의 일치를 위해 복사율 비율과 온도를 재조정함으로써 관측된 특성을 재구성할 수 있다.

ABSTRACT

We investigate the characteristics of two newly discovered short-period, double-lined, massive binary systems, VFTS 450 (O9.7$\;$II--Ib$\,$+$\,$O7::) and VFTS 652 (B1$\;$Ib$\,+\,$O9:$\;$III:). We perform model-atmosphere analyses to characterise the photospheric properties of both members of each binary (denoting the `primary' as the spectroscopically more conspicuous component). Radial velocities and optical photometry are used to estimate the binary-system parameters. We estimate $T_{ m eff}=27$ kK, $\log{(g)}=2.9$ (cgs) for the VFTS 450 primary spectrum (34kK, 3.6: for the secondary spectrum); and $T_{ m eff} = 22$kK, $\log{(g)}=2.8$ for the VFTS 652 primary spectrum (35kK, 3.7: for the secondary spectrum). Both primaries show surface nitrogen enrichments (of more than 1 dex for VFTS 652), and probable moderate oxygen depletions relative to reference LMC abundances. We determine orbital periods of 6.89d and 8.59d for VFTS 450 and VFTS 652, respectively, and argue that the primaries must be close to filling their Roche lobes. Supposing this to be the case, we estimate component masses in the range $\sim$20--50M$_\odot$. The secondary spectra are associated with the more massive components, suggesting that both systems are high-mass analogues of classical Algol systems, undergoing case-A mass transfer. Difficulties in reconciling the spectroscopic analyses with the light-curves and with evolutionary considerations suggest that the secondary spectra are contaminated by (or arise in) accretion disks.

연구 동기 및 목표

• VFTS 450과 VFTS 652라는 30 Doradus 영역 내에서 최초로 발견된 고질량 이중선 스펙트로스코픽 이중성의 기본 파arameter를 규명하는 것.
• 이 시스템에서 스펙트로스코픽으로 유도된 파arameter와 광도/진화 제약 조건 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• 보조 성분의 성격, 특히 그 스펙트럼이 환성물질이나 응집원반에 의해 오염되었는지 여부를 조사하는 것.
• 궤도 해법을 도출하고, 이 고질량 이중성 시스템에서 로치 로브 오버플로 및 케이스-A 질량 이 trasfer의 가능성 평가하는 것.
• 관측된 복사율 비율과 효율적 온도를 진화 모델과 일치시키기 위해 보조 성분 파arameter에 합리적인 조정을 가하는 것.

제안 방법

• VLT-FLAMES 및 UVES 기구를 사용해 다중 에포크 스펙트로스코피를 실시하여 두 시스템의 라디얼 속도를 측정하고 궤도 해법을 도출한다.
• 광학 흡수선을 기반으로 모델 대기층 분석을 적용하여 효율적 온도 ($T_{\mathrm{eff}}$), 표면 중력도 ($\log{g}$), 표면 농도를 유도한다.
• 광학 및 근적외선 광도 측정(IRSF 및 Spitzer SAGE에서 확보)을 사용해 절대 등급과 빛의 강도 비율 ($\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$)을 산정한다.
• 주성이 자신의 로치 로브를 가득 채운다고 가정하는 단순 이중성 모델을 구축하고, 궤도 파aram터(주기, 반폭)를 이용해 성분 질량을 추정한다.
• 스펙트로스코픽 파aram터가 광도 측정 및 진화 이론과 일치하는지 검토하기 위해 보조 성분의 효율적 온도와 복사율 비율을 변화시키며, 파aram터 공간 내 '합리성의 영역'을 식별한다.
• 응집원반에 의한 잠재적 가림 효과를 평가하기 위해 복사율 비율 $\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$ 증가 및 높은 $T_{\mathrm{eff}}$ (2) 값의 영향을 탐색하여 관측된 복사량과 질량 추정치 간의 일치를 도모한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VFTS 450과 VFTS 652의 보조 성분에서 스펙트로스코픽으로 유도된 파aram터가 관측된 광도 밝기와 진화 상태와 일치하는가?
• RQ2 VFTS 450과 VFTS 652의 궤도 주기와 질량 비율은 무엇이며, 이는 로치 로브 오버플로 및 케이스-A 질량 이 trasfer를 지지하는가?
• RQ3 왜 스펙트로스코픽으로 유도된 보조 성분 파aram터가 광도 측정 및 진화 제약 조건과 괴리되는가?
• RQ4 보조 성분의 복사율 비율 또는 효율적 온도에 대한 합리적인 조정으로 스펙트로스코픽 데이터와 관측된 시스템 복사량 간의 괴리를 해결할 수 있는가?
• RQ5 환성물질이나 응집원반에 의한 보조 스펙트럼 오염이 관측된 괴리 현상에 대한 타당한 설명인가?

주요 결과

• VFTS 450의 궤도 주기는 6.89일이며, VFTS 652는 8.59일로, 양 시스템 모두 뚜렷한 라디얼 속도 반폭을 보인다.
• VFTS 450의 주성은 $T_{\mathrm{eff}} = 27$ kK이고 $\log{g} = 2.9$ (cgs)이며, 보조성은 $T_{\mathrm{eff}} = 34$ kK이고 $\log{g} = 3.6$이다. VFTS 652의 주성은 $T_{\mathrm{eff}} = 22$ kK이고 $\log{g} = 2.8$이며, 보조성은 $T_{\mathrm{eff}} = 35$ kK이고 $\log{g} = 3.7$이다.
• 양 주성 모두 표면 질소 농축이 1 dex를 초과하며, VFTS 652는 LMC 기준 농도 대비 산소 농도 감소 가능성이 확인된다.
• 보조 스펙트럼은 응집원반에 의해 오염되어 있을 가능성이 높으며, 이는 스펙트로스코픽 파aram터와 광도 제약 조건 간의 일관성 없는 결과에서 유추된다. 이는 일관성을 확보하기 위해 복사율 비율 ($\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$)을 증가시키거나 효율적 온도를 높여야 함을 의미한다.
• 모델링 결과, $\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$와 $T_{\mathrm{eff}}$ (2)에 대한 합리적인 조정이 관측된 시스템 특성과 진화 모델 간의 일치를 가능하게 하며, 이는 보조 성분이 스펙트로스코피만으로는 예상되는 것보다 더 크고 더 로치 로브를 가득 채우는 경향이 있음을 암시한다.
• 이 시스템들은 케이스-A 질량 이 trasfer를 겪고 있는 고질량 알고일 유사 시스템의 고질량 대체자로 해석되며, 스펙트로스코피적으로 더 두드러진 성분은 초기 가정과는 달리 질량이 더 작은 별임을 시사한다.