[论文解读] Abundance analysis of prime B-type targets for asteroseismology I. Nitrogen excess in slowly-rotating beta Cephei stars

T. Morel, K. Butler+3 more|ArXiv.org|Jul 12, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 79被引用 92

一句话总结

本研究对九颗用于类日震荡研究的B型主序星进行了详细的非局部热动平衡（NLTE）元素丰度分析，重点关注氮、碳、氧及其他元素。研究发现，四颗慢速旋转的β Cephei型恒星（包括β Cep、V2052 Oph、δ Cet和ξ¹ CMa）存在轻微的氮过剩（最高达0.6 dex），尽管其自转速度较低，这挑战了现有的演化模型，并提示辐射扩散或磁场可能在表面元素丰度异常中起作用。

ABSTRACT

We present the results of a detailed NLTE abundance study of nine beta Cephei stars, all of them being prime targets for theoretical modelling: gamma Peg, delta Cet, nu Eri, beta CMa, xi1 CMa, V836 Cen, V2052 Oph, beta Cep and DD (12) Lac. The following chemical elements are considered: He, C, N, O, Mg, Al, Si, S and Fe. Our abundance analysis is based on a large number of time-resolved, high-resolution optical spectra covering in most cases the entire oscillation cycle of the stars. Nitrogen is found to be enhanced by up to 0.6 dex in four stars, three of which have severe constraints on their equatorial rotational velocity, ΩR, from seismic or line-profile variation studies: beta Cep (ΩR~26 km/s), V2052 Oph (ΩR~56 km/s), delta Cet (ΩR < 28 km/s) and xi1 CMa (ΩR sin i < 10 km/s). The existence of core-processed material at the surface of such largely unevolved, slowly-rotating objects is not predicted by current evolutionary models including rotation. We draw attention to the fact that three stars in this subsample have a detected magnetic field and briefly discuss recent theoretical work pointing to the occurrence of diffusion effects in beta Cephei stars possibly capable of altering the nitrogen surface abundance. On the other hand, the abundances of all the other chemical elements considered are, within the errors, indistinguishable from the values found for OB dwarfs in the solar neighbourhood. Despite the mild nitrogen excess observed in some objects, we thus find no evidence for a significantly higher photospheric metal content in the studied beta Cephei stars compared to non-pulsating B-type stars of similar characteristics.

研究动机与目标

• 为改进类日震荡建模，精确测定关键β Cephei型恒星的恒星参数和元素丰度。
• 探究在慢速旋转的β Cephei型恒星中观测到的氮过剩是否可由标准演化模型解释。
• 评估β Cephei型恒星的金属量是否与非脉动B型恒星存在显著差异。
• 探讨辐射扩散和磁场在改变这些恒星表面丰度中的潜在作用。

提出的方法

• 利用覆盖完整脉动周期的高分辨率、时域光学光谱，进行增长曲线丰度分析。
• 采用非局部热动平衡（NLTE）模型，以考虑早型B型恒星大气中偏离局部热动平衡的影响。
• 分析氦、碳、氮、氧、镁、铝、硅、硫和铁的谱线，以推导表面丰度。
• 将结果与太阳比例丰度及附近OB型主序星的丰度进行比较，以评估金属量和化学异常特征。
• 利用地震学和谱线轮廓变化研究对赤道自转速度（ΩR）的约束，识别慢速旋转目标。
• 评估磁场和辐射力对元素分离的影响，特别是对氮的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 慢速旋转的β Cephei型恒星是否表现出与标准演化模型不一致的氮过剩？
• RQ2 这些恒星中观测到的氮富集是否可归因于自转混合，或归因于如辐射扩散等其他过程？
• RQ3 β Cephei型恒星的表面丰度与太阳邻近区非脉动B型主序星相比如何？
• RQ4 在低自转速度条件下，辐射力是否可解释观测到的氮过剩？
• RQ5 磁场在增强或促成这些恒星表面丰度异常中起何种作用？

主要发现

• 在四颗β Cephei型恒星（β Cep、V2052 Oph、δ Cet和ξ¹ CMa）中，氮丰度最高提升0.6 dex，尽管其自转速度较低。
• 氮过剩出现在赤道自转速度受到严格限制的恒星中（δ Cet的ΩR < 28 km s⁻¹，β Cep的ΩR ≈ 26 km s⁻¹，ξ¹ CMa的ΩR sin i < 10 km s⁻¹），这与包含自转效应的标准模型预测相矛盾。
• 所研究的β Cephei型恒星的金属量并无异常，与附近早型B型主序星一致，整体金属量（Z）无显著过剩。
• ν Eri的[N/C]和[N/O]比值约高于太阳0.25 dex，表明可能存在深层混合或辐射扩散效应。
• 样本中三颗恒星（β Cep、V2052 Oph和ν Eri）探测到磁场，提示磁性与丰度异常之间可能存在关联。
• 近期理论研究表明，氮所受的辐射力可能超过碳和氧，这在特定恒星条件下可能驱动氮在表面聚集。