[論文レビュー] Classical Cepheid Pulsation Models. XI. Effects of convection and chemical composition on the Period-Luminosity and Period-Wesenheit relations

G. Fiorentino, M. Marconi+2 more|ArXiv.org|Jul 6, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用数 33

ひとこと要約

本稿では、古典的セフェイドの新しい非線形脈動モデルを提示し、混合長パラメータ $ l/H_p $ と化学成分が周期-光度（PL）関係および周期-ウェーゼンハイト（PW）関係に与える影響を調査する。$ l/H_p $ が不安定帯の幅に影響することを示しているが、特に高い金属量において顕著であり、PW関係は依然として頑健であり、主に金属量に敏感であることが判明した。これにより、観測された $ BVI $ や $ BVK $ 絶対等級から距離および金属量の推定が可能になる。

ABSTRACT

In spite of the relevance of Classical Cepheids as primary distance indicators, a general consensus on the dependence of the Period-Luminosity (PL) relation on the Cepheid chemical composition has not been achieved yet. From the theoretical point of view, our previous investigations were able to reproduce some empirical tests for suitable assumptions on the helium to metal relative enrichment, but those results relied on specific assumptions concerning the Mass-Luminosity relation and the efficiency of the convective transfer in the pulsating envelopes. In this paper, we investigate the effects of the assumed value of the mixing length parameter l/Hp on the pulsation properties and we release the assumption of a fixed Mass-Luminosity relation. As a whole, we show that our pulsation relations appear fully consistent with the observed properties of Galactic and Magellanic Cloud Cepheids, supporting the predicted steepening and brightening of the PL relations when moving from metal-rich to metal-poor variables. Moreover, we show that the distances inferred by the predicted PW relations agree with recently measured trigonometric parallaxes, whereas they suggest a correction to the values based on the Infrared Surface Brightness technique, as already found from an independent method. Finally, also the pulsation metal contents suggested by the predicted PW relations appear in statistical agreement with spectroscopic [Fe/H] measurements.

研究の動機と目的

• 古典的セフェイドにおける混合長パラメータ $ l/H_p $ と化学成分が周期-光度（PL）関係および周期-ウェーゼンハイト（PW）関係に与える影響を調査すること。
• 標準的モデルに基づく進化的トラジェクトリを用いて、質量-光度関係を固定する仮定を解除すること。
• 質量-光度関係に依存しない、金属量依存の堅牢なPW関係を導出することにより、距離および金属量推定を可能とすること。
• ハッブル宇宙望遠鏡のパララックス測定および分光的 [Fe/H] 測定を含む、銀河およびLMCセフェイドの観測データと予測関係の整合性を検証すること。
• 赤外線表面輝度（ISB）法の信頼性を、その距離と脈動モデルから導出された距離を比較することによって評価すること。

提案手法

• $ Z = 0.004, 0.008, 0.01, 0.02 $ および $ l/H_p = 1.7-1.8 $ の範囲で、以前の値よりも高い値を用いて、新しい非線形対流的基底脈動モデルを計算した。
• 更新された進化的トラジェクトリと脈動モデルを組み合わせ、全光度バンドにおける合成PLおよびPW関係を導出した。
• 脈動と進化の仮定を分離するために、$ L_{\text{can}} $（非対流的・非質量損失モデルからの標準的光度）を用いた $ \log(L/L_{\text{can}}) $ の比を導入した。
• 質量依存および進化に基づくPW関係を導出し、質量-光度関係に依存せずに距離および金属量を推定することを可能とした。
• $ \log(L/L_{\text{can}}) $ の比を用いて進化効果を補正し、ハッブル宇宙望遠鏡のパララックス測定およびISB法に基づく距離と比較した。
• 理論的PW関係を、銀河およびLMCセフェイドの観測された $ BVI $ および $ BVK $ 絶対等級と比較し、予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合長パラメータ $ l/H_p $ を変化させると、不安定帯の幅およびPL・PW関係の形状にどのような影響を与えるか？
• RQ2 予測されたPW関係が金属量およびヘリウム含有量にどの程度依存するか。また、光度測定から距離および金属量を推定するために使用可能か？
• RQ3 予測されたPLおよびPW関係は、ハッブル宇宙望遠鏡のパララックス測定および分光的 [Fe/H] 測定を含む、銀河およびLMCセフェイドの観測データとどの程度一致するか？
• RQ4 $ \log(L/L_{\text{can}}) $ の比が、アストロメトリック測定およびISB法に基づく距離との整合性に与える影響は何か？
• RQ5 脈動モデルはPL関係に金属量依存のシフトを予測するか。また、これは光学的および近赤外バンドでの観測傾向と整合的か？

主な発見

• 混合長パラメータ $ l/H_p $ を 1.5 から 1.7–1.8 に増加させると、特に $ Z \geq 0.01 $ の場合に不安定帯が狭くなり、赤端がブルー方向にシフトするためである。
• 金属量 $ Z $ を固定した場合、PW関係は $ l/H_p $ の変化に対して感度が低く、金属量に強く依存するため、距離および金属量推定に非常に適している。
• 平均的な $ \log(L/L_{\text{can}}) = 0.25 \pm 0.12 $ は、銀河セフェイドのハッブル宇宙望遠鏡パララックス測定と整合的であり、わずかな周期依存性 $ \log(L/L_{\text{can}}) = 0.41 - 0.19\log P $ を示唆している。
• 脈動に基づく距離とISB法に基づく距離が一致するのは、物理的に不自然な $ \log(L/L_{\text{can}}) $ 値を仮定する場合に限る。これより、ISB距離に対して $ \Delta\mu_0 = 0.50 - 0.45\log P $ の補正が必要であると示唆される。
• LMCセフェイドの予測されたPW関係は、$ \log(L/L_{\text{can}}) = 0 $ の場合 $ \mu_0 = 18.73 \pm 0.09 $ mag、$ \log(L/L_{\text{can}}) = 0.25 $ の場合 $ 18.52 \pm 0.11 $ mag となり、観測と整合的である。
• 金属量の低いセフェイドではより急で明るいPL関係が予測されるが、これはハッブル宇宙望遠鏡を用いた銀河セフェイドの距離および観測されたLMCデータと一致しており、光学的関係の方が近赤外のものよりも金属量依存性が強いことが示されている。