[논문 리뷰] Hot subdwarf wind models with accurate abundances I. Hydrogen dominated stars HD 49798 and BD+18$^\circ\,$2647

Jiřı́ Krtička, Ján Janík외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 27.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 89인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 우주선 및 광학 스펙트로스코피를 통해 유도된 정확한 비태양 표면 농도를 사용하여 수소가 풍부한 핫 서브드워프 HD 49798과 BD+18°2647에서 복사압에 의해 구동되는 바람을 모델링한다. 연구 결과, HD 49798와 같이 수소 연소를 하는 별들에서는 현실적인 농도가 바람 질량 손실률에 미치는 영향이 약하게 나타나지만, BD+18°2647에서는 확산에 의해 유도된 농도 비정상성이 바람 형성을 완전히 억제하여 관측되지 않는 바람을 설명하며, 이는 비태양 화학 조성이 바람 예측에 있어 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Hot subdwarfs are helium burning objects in late stages of their evolution. These stars can develop winds driven by light absorption in the lines of heavier elements. The wind strength depends on chemical composition which can significantly vary from star to star. We aim to understand the influence of metallicity on the strength of the winds of the hot hydrogen-rich subdwarfs HD 49798 and BD+18$^\circ\,$2647. We used UV and optical spectra to derive stellar parameters and abundances. For derived stellar parameters, we predicted wind structure (including mass-loss rates and terminal velocities) with our METUJE code. We derived effective temperature $T_ ext{eff}=45\,900\,$K and mass $M=1.46\,M_\odot$ for HD 49798 and $T_ ext{eff}=73\,000\,$K and $M=0.38\,M_\odot$ for BD+18$^\circ\,$2647. The abundances can be interpreted as a result of interplay between stellar evolution and diffusion. HD 49798 has a strong wind that does not allow for chemical separation and consequently it shows solar chemical composition modified by hydrogen burning. On the other hand, we did not find any wind in BD+18$^\circ\,$2647 and its abundances are therefore most likely affected by radiative diffusion. Accurate abundances do not lead to a significant modification of wind mass-loss rate for HD 49798, because the increase of the contribution of Fe and Ni to the radiative force is compensated by the decrease of the force due to other elements. The resulting wind mass-loss rate $\dot M=2.1 imes10^{-9}\,M_\odot\, ext{yr}^{-1}$ predicts an X-ray light curve during the eclipse which closely agrees with observations. On the other hand, the absence of the wind in BD+18$^\circ\,$2647 for accurate abundances is a result of its peculiar chemical composition. Wind models with accurate abundances provide more reliable wind parameters, but the influence of abundances on the wind parameters is limited in many cases.

연구 동기 및 목표

• 비태양 표면 농도가 핫 서브드워프에서 복사압에 의해 구동되는 바람 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 태양 기반 조성 대신 관측적으로 유도된 정확한 농도를 사용하여 바람 질량 손실률 예측의 괴리점을 해결하는 것.
• HD 49798과 BD+18°2647와 같은 서브드워프에서 바람의 존재 또는 부재가 화학 조성인지 항성 파rameter에 의해 결정되는지 규명하는 것.
• 저금속성, 진화한 서브드워프에서 복사압 확산과 중력 침강이 바람 형성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 핫 서브드워프를 포함하는 이중성계에서 X선 광도 곡선 예측을 향상시키기 위한 바람 모델 개선

제안 방법

• HST, VLT/UVES, IUE/FUSE를 통해 확보한 고해상도 우주선 및 광학 스펙트로스코피를 이용하여 항성 파라미터와 표면 농도를 유도하였다.
• 비상태균형 대기 모델(TLUSTY)과 스펙트럼 합성(SYNSPEC)을 적용하여 유효 온도, 표면 중력도 및 원소 농도를 결정하였다.
• HD 49798의 경우 진화 모델과 이중성계 제약 조건을 활용하여 항성 질량를 제약하였다.
• 유도된 농도와 항성 파라미터를 기반으로 질량 손실률과 최종 속도를 예측하기 위해 글로벌 바람 모델(METUJE)을 사용하였다.
• 바람에 의해 유도되는 X선 음영 광도 곡선을 시뮬레이션하고 관측된 음영 광도 곡선과 비교하여 예측의 타당성을 검증하였다.
• 농도 변화에 대한 바람 강도 민감도를 평가하기 위해 태양 기반 조성 모델과 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확하고 비태양 표면 농도가 핫 수소가 풍부한 서브드워프에서 예측된 질량 손실률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 BD+18°2647는 높은 유효 온도를 지니고 있음에도 불구하고 감지되지 않는 바람을 보이는데, 이는 그 화학 조성 때문인가?
• RQ3 비태양 기반 조성 대비 복사압 확산과 중력 침강이 바람 구동력에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 HD 49798의 관측된 X선 음영 광도 곡선이 현실적인 농도를 가진 바람 모델로 정확하게 재현될 수 있는가?
• RQ5 유사한 온도를 지닌 별들 사이에서 농도 패턴이 다를 경우 바람 예측이 어떻게 크게 다를 수 있는가?

주요 결과

• HD 49798의 유효 온도는 45,900 K이며 질량은 1.46 M☉로, 이중성 진화 모델과 일치한다.
• HD 49798의 바람 질량 손실률은 2.1 × 10⁻⁹ M☉ yr⁻¹이며, 이는 관측된 X선 음영 광도 곡선을 정확히 재현한다.
• 철과 니켈이 높아졌음에도 불구하고, 증가한 복사력과 감소한 복사력 간 상쇄로 인해 비태양 농도가 바람 강도에 크게 영향을 주지 않는다.
• BD+18°2647의 유효 온도는 73,000 K로 더 높고 질량은 0.38 M☉로 낮으며, 경량 원소가 태양 이하이고 철 농도가 과잉되어 있어 강한 복사압 확산을 나타낸다.
• BD+18°2647에서 바람이 존재하지 않는 것은 특이한 농도 패턴으로 인해 고도의 빛을 발휘하더라도 선형 구동 가속도가 억제되기 때문이다.
• 이 별들에서 선형 구동력의 약 1/3은 관측 스펙트럼 영역에서 접근할 수 없는 원소에서 기인하여 바람 예측에 불확실성을 초래한다.