[논문 리뷰] The VLT-FLAMES Tarantula Survey XXV. Surface nitrogen abundances of O-type giants and supergiants

N. J. Grin, O. H. Ramírez-Agudelo외 20명|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|2016. 09. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 80인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 VLT-FLAMES Tarantula Survey에서 확보한 72개의 O형 거성 및 초거성의 표면 질소 농도를 분석하여 단일 별의 회전 혼합 모델을 시험한다. 비-LTE 합성 스펙트럼 피팅을 통해 N ii-v 선을 분석한 결과, 저중력 별 중 30–40%가 느린 회전에도 불구하고 강한 질소 농도 증가를 보이며, 이는 단일 별의 회전 혼합 예측과 배치된다. 이는 이중성 또는 자기장의 역할을 시사한다.

ABSTRACT

Theoretically, rotation-induced chemical mixing in massive stars has far reaching evolutionary consequences, affecting the sequence of morphological phases, lifetimes, nucleosynthesis, and supernova characteristics. Using a sample of 72 presumably single O-type giants to supergiants observed in the context of the VLT-FLAMES Tarantula Survey (VFTS), we aim to investigate rotational mixing in evolved core-hydrogen burning stars initially more massive than $15\,M_\odot$ by analysing their surface nitrogen abundances. Using stellar and wind properties derived in a previous VFTS study, we constrained the nitrogen abundance by fitting the equivalent widths of relatively strong lines that are sensitive to changes in the abundance of this element. Given the quality of the data, we constrained the nitrogen abundance in 38 cases; for 34 stars only upper limits could be derived, which includes almost all stars rotating at $v_\mathrm{e}\sin i >200\,\mathrm{km s^{-1}}$. We analysed the nitrogen abundance as a function of projected rotation rate $v_\mathrm{e}\sin i$ and confronted it with predictions of rotational mixing. The upper limits on the nitrogen abundance of the rapidly rotating stars are not in apparent violation with theoretical expectations. However, we found a group of N-enhanced slowly-spinning stars that is not in accordance with predictions of rotational mixing in single stars. Among O-type stars with (rotation-corrected) gravities less than $\log\,g_c = 3.75$ this group constitutes 30$-$40 percent of the population. We found a correlation between nitrogen and helium abundance which is consistent with expectations, suggesting that, whatever the mechanism that brings N to the surface, it displays CNO-processed material.

연구 동기 및 목표

• 초기 질량가 15 M☉를 초과하는 15 M☉ 이상의 별에서 핵 수소 연소를 겪는 O형 거성에서의 회전 혼합을 조사하기 위해.
• 관측된 표면 질소 농도가 도는 별의 별진화 모델 예측과 일치하는지 테스트하기 위해.
• 느린 회전을 보이는 별에서 관측된 질소 농도 증가가 단일 별의 회전 혼합으로 설명 가능한지 판단하기 위해.
• 이중성 상호작용 또는 기타 메커니즘(예: 자기장)이 비정상적인 표면 농도를 설명하는 데 기여하는지 평가하기 위해.
• CNO-처리된 물질의 이동을 진단하기 위해 질소와 He 농도 간의 상관관계를 검토하기 위해.

제안 방법

• 72개의 O형 거성 및 초거성에 대해 비-LTE 대기 코드 fastwind를 사용하여 최대 21개의 광학적 N ii-v 스펙트럼 선을 합성하였다.
• 관측된 스펙트럼에 합성 등가 폭을 피팅하여 질소 농도를 제약하였으며, 비교적 강한 질소 민감도가 높은 선에 집중하였다.
• 진화 모델과의 비교를 위해 완전하고 대표적인 표본을 확보하기 위해, 보정된 표면 중력도(log g_c ≤ 3.75)를 적용하였다.
• 약한 선에서 신호 대 잡음비가 낮아, vₑsin i > 170 km s⁻¹인 34개의 별에 대해 질소 농도 상한선을 계산하였다.
• 관측된 질소 농도와 투영된 회전 속도를 Brott 등(2011a) 및 Ekström 등(2012)의 인구 합성 모델 예측과 비교하였다.
• CNO-처리된 물질의 표면 이동과의 일관성을 평가하기 위해 질소와 헬륨 농도 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 느린 회전을 보이는 O형 거성 및 초거성에서 관측된 표면 질소 농도가 단일 별의 회전 혼합 이론 예측과 일치하는가?
• RQ2 표면 중력도가 낮은 O형 거성 및 초거성 중에서(log g_c ≤ 3.75), 회전 혼합 이론과 일치하지 않는 질소 농도 증가를 보이는 비율은 얼마인가?
• RQ3 질소와 헬륨 농도 간의 상관관계는 CNO-처리된 물질이 표면으로 이동하는 것과 일치하는가?
• RQ4 빠른 회전을 보이는 별들(vₑsin i > 170 km s⁻¹)에서 관측된 질소 농도 상한선은 회전 혼합 모델을 배제할 수 있는가?
• RQ5 이중성 상호작용 또는 자기장이 회전 혼합 예측에서 벗어난 질소 농도 증가를 보이는 느린 회전 별 그룹을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 표면 중력도가 낮은 O형 거성 및 초거성 중 약 60–70%가 단일 별의 회전 혼합 이론 예측과 일치하는 질소 표면 농도를 보였다.
• 저중력 표본의 약 30–40%가 투영된 회전 속도가 140 km s⁻¹ 이하임에도 불구하고 강한 질소 농도 증가를 보였으며, 이는 회전 혼합 모델이 예측하는 것보다 약 5배 더 큰 크기의 집단이었다.
• 질소 농도 증가를 보이는 느린 회전 별의 평균 투영된 회전 속도는 매크로 난류 선형 폭 보정 후 78 ± 19 km s⁻¹였다.
• 질소 농도 증가를 보이는 느린 회전 별의 평균 진화 질량은 38 ± 13 M☉였으며, 표본의 나머지 부분(28 ± 8 M☉)보다 유의미하게 높았다.
• 질소와 헬륨 농도 간에 유의미한 상관관계가 관측되었으며, 이는 CNO-처리된 물질이 표면으로 이동하는 것과 일치하였다.
• 빠른 회전 별(vₑsin i > 170 km s⁻¹)에 대한 질소 농도 상한선은 회전 혼합 모델과 일치하지 않지만, 고신호 대 잡음비 데이터가 필요하여 고속에서의 이론 검증이 이루어지지 않았다.