[論文レビュー] Abundance analysis for long-period variables II. RGB and AGB stars in the globular cluster 47\,Tuc

T. Lebzelter, W. Nowotny+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、47 Tucの12個の赤色巨星（長周期変光星（LPV）を含む）の高分解能近赤外スペクトルを、静水圧的および力学的モデル大気に基づいて分析した。力学的モデルは、脈動星の観測スペクトルを静水圧的モデルよりも顕著に良く再現したが、モデルと観測の不一致や解釈不能な質量放出効果のため、正確な元素組成の決定は依然として困難である。

ABSTRACT

Asymptotic giant branch (AGB) stars play a key role in the enrichment of galaxies with heavy elements. Due to their large amplitude variability, the measurement of elemental abundances is a highly challenging task that has not been solved in a satisfactory way yet. Following our previous work we use hydrostatic and dynamical model atmospheres to simulate observed high-resolution near-infrared spectra of 12 variable and non-variable red giants in the globular cluster 47 Tuc. The 47 Tuc red giants are independently well-characterized in important parameters (mass, metallicity, luminosity). The principal aim was to compare synthetic spectra based on the dynamical models with observational spectra of 47 Tuc variables. Assuming that the abundances are unchanged on the upper giant branch in these low-mass stars, our goal is to estimate the impact of atmospheric dynamics on the abundance determination. We present new measurements of the C/O and 12C/13C ratio for 5 non-variable red giants in 47Tuc. The equivalent widths measured for our 7 variable stars strongly differ from the non-variable stars and cannot be reproduced by either hydrostatic or dynamical model atmospheres. Nevertheless, the dynamical models fit the observed spectra of long-period variables much better than any hydrostatic model. For some spectral features, the variations in the line intensities predicted by dynamical models over a pulsation cycle give similar values as a sequence of hydrostatic models with varying temperature and constant surface gravity.

研究の動機と目的

• 長周期変光星（LPV）における大気力学の元素組成決定への影響を評価すること。
• 静水圧的および力学的モデル大気からの合成スペクトルを、47 Tucの赤色巨星の高分解能近赤外スペクトルと比較すること。
• 非変光赤色巨星のC/Oおよび12C/13C比を、静水圧的モデルを基準として決定すること。
• 力学的モデルが、脈動周期に伴う線強度およびその変動を信頼性高く再現できるかどうかを評価すること。
• 低金属量のAGB星における質量放出およびダスト形成に関連する、現在の力学的モデルの限界を特定すること。

提案手法

• 高分解能近赤外分光法を用いて、47 Tucの12個の赤色巨星における12 CO、13 CO、OHおよびNa線の等価幅（EW）を測定した。
• 観測星の基本パラメータ（質量、光度、金属量、脈動周期、T_eff）に一致する静水圧的および力学的モデル大気のセットを構築した。
• モデルからの等価幅を観測EWと比較して組成を導出し、非変光星を用いてC/Oおよび12C/13C比の基準とした。
• 脈動周期に伴う線強度の変化を、力学的大気モデルを用いてモデル化し、異なるT_effをとる静水圧的モデル系列と比較した。
• 力学的モデルが、変光星で観測されるEW対(J-K)図におけるループ状の挙動を再現できるかを検証した。
• モデル選定は、光度、金属量、Kバンド振幅、および光度測光に基づいて制約されたが、スペクトル特徴の不一致は、現在のモデル物理の限界を示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力学的モデル大気は、47 Tucの長周期変光星の観測スペクトル線強度を、静水圧的モデルよりもよく再現できるか？
• RQ2 脈動周期に伴う線強度変化は、力学的モデルと、異なる温度をとる静水圧的モデル系列とでどのように比較できるか？
• RQ3 観測された等価幅は、静水圧的および力学的モデルの予測からどの程度ずれているか？
• RQ4 非変光赤色巨星におけるC/Oおよび12C/13C比は何か？そして、変光星の組成決定にどのように寄与するか？
• RQ5 現在の力学的モデルは、ダストを伴う質量放出を示す星において、なぜ観測された近赤外色およびスペクトル特徴を再現できないのか？

主な発見

• 力学的モデルは、長周期変光星の観測スペクトルを静水圧的モデルよりも顕著に良く再現した。これは、正確なスペクトル合成に大気力学が不可欠であることを示している。
• 47 Tucの変光星における観測等価幅は、いずれの静水圧的モデルでも力学的モデルでも再現できず、モデルパラメータまたは物理的記述の欠陥を示唆している。
• 力学的モデルが予測する線強度の脈動周期に伴う変化は、異なる有効温度をとる静水圧的モデル系列と類似しているが、物理的メカニズムは異なる。
• 非変光赤色巨星5個のC/Oおよび12C/13C比は、静水圧的モデルを用いて成功裏に測定され、変光星の組成決定の基準としての役割を果たした。
• モデルの不一致は、ダスト駆動型質量放出および大気構造の不完全な取り扱いに起因している可能性が高く、特に低光度・低金属量のAGB星において顕著である。
• 本研究は、力学的モデルが正確な組成分析に不可欠であるが、現在のモデルは風のメカニズムおよびダスト形成の物理的記述の改良を経て、信頼性のある結果を得られるようになるべきであると結論づけた。