[論文レビュー] Massive stars at low metallicity: Evolution and surface abundances of O dwarfs in the SMC

J.‐C. Bouret, T. Lanz+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 112被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、NLTE星大気モデル（CMFGEN）を用いて、小マゼラン雲に存在する23個のO型矮星のUVおよび可視域スペクトルを分析し、低金属量が大質量星の進化、回転、表面組成に与える影響を調査した。主な発見では、高速回転星がH-R図においてより垂直に進化することが示され、ほとんどの星が回転誘発混合を伴う進化モデルに一致するが、2つの非常に若い星は予想外に強い混合を示しており、現在のモデルに挑戦するものであり、星の進化理論を検証するためのより良い指標は単一元素の組成ではなく、組成比であると示唆している。

ABSTRACT

We study the evolution, rotation, and surface abundances of O-type dwarfs in the Small Magellanic Cloud. We analyzed the UV and optical spectra of twenty-three objects and derived photospheric and wind properties. The observed binary fraction of the sample is ~ 26%, which is compatible with more systematic studies, if one considers that the actual binary fraction is potentially larger owing to low-luminosity companions and that the sample excluded obvious spectroscopic binaries. The location of the fastest rotators in the H-R diagram indicates that these could be several Myr old. The offset in the position of these fast rotators compared with the other stars confirms the predictions of evolutionary models that fast-rotating stars tend to evolve more vertically in the H-R diagram. Only one star of luminosity-class Vz, expected to best characterize extreme youth, is located on the ZAMS, the other two stars are more evolved. The distribution of nitrogen abundance of O and B stars suggests that the mechanisms responsible for the chemical enrichment of slowly rotating massive stars depends only weakly on the star's mass. We confirm that the group of slowly rotating N-rich stars is not reproduced by the evolutionary tracks. Our results call for stronger mixing in the models to explain the range of observed N abundances. All stars have an N/C ratio as a function of stellar luminosity that matches the predictions of the stellar evolution models well. More massive stars have a higher N/C ratio than the less massive stars. Faster rotators show on average a higher N/C ratio than slower rotators. The N/O versus N/C ratios agree qualitatively well with those of stellar evolution models. The only discrepant behavior is observed for the youngest two stars of the sample, which both show very strong signs of mixing, which is unexpected for their evolutionary status.

研究の動機と目的

• 低金属量が大質量星の進化に与える影響、特に回転および表面組成に関する理解を深めること。
• 小マゼラン雲のO型矮星の表面組成を形作る回転混合の役割を評価すること。
• 観測された表面組成（N, C, O）が、回転を含む星の進化モデルの予測と整合するかを検証すること。
• B型星の研究で示唆されたように、観測された窒素増強の分布が質量に弱く依存するかどうかを調査すること。
• 観測結果とモデルとの乖離を特定し、強化された混合または代替的進化経路の必要性を評価すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡およびVLTを用いて、小マゼラン雲に存在する23個のO型矮星の高分解能UVおよび可視域スペクトルを取得した。
• 非局所熱平衡星大気コードCMFGENを適用し、効果的温度、重力、表面組成を含む大気および風の性質を導出した。
• 回転を含む進化モデル（Brott et al. 2011a）を用いて、観測されたHertzsprung-Russell図上の位置と表面組成を理論的予測と比較した。
• ε(N)–vsini 図における星の分布を分析し、化学的増強が星の質量および回転にどのように依存するかを評価した。
• 観測されたN/CおよびN/O組成比をモデルの予測と比較し、回転混合の有効性が観測を再現できるかを評価した。
• 二重星の割合と、特に高速回転星および若い星における観測された組成異常への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小マゼラン雲のO型矮星の表面組成は、回転を含む星の進化モデルの予測とどのように異なるか？
• RQ2 回転混合は、低金属量の大質量星における観測された窒素増強を説明する上で果たす役割は何か？
• RQ3 サンプル内で最も若い2つの星が、主系列星としてのステータスであるにもかかわらず、予想外に強い表面混合を示すのはなぜか？
• RQ4 同環境下のO矮星における化学的増強の分布は、B型星と比べてどのように異なるか？
• RQ5 N/C や N/O といった組成比は、個々の元素の組成よりも、大質量星における星の進化を示すより良い指標であるか？

主な発見

• サンプルの約26%が高速回転星であり、Hertzsprung-Russell図上の位置から、回転を含む進化モデルに一致するように約4–5 Myrの年齢であると示唆されている。
• 最も明るく若い3つの星（光度クラスVz）のうち2つが、その進化段階に対して予想外に強い混合の兆候を示しており、現在のモデルに挑戦するものである。
• サンプル星の65%が回転を含む進化モデルでよく再現されるが、9%は明確な外れ値であり、大きな割合の星が強化された混合または非標準的進化を経ている必要があると示唆している。
• N/C比は星の明るさおよび回転速度に応じて増加し、理論的予測と一致しており、より強い回転がより大きな混合および表面窒素増強をもたらすことが確認された。
• 質量の違いにもかかわらず、O星およびB星のε(N)–vsini 図における分布は区別できないため、化学的増強を引き起こすメカニズムは質量に弱く依存することが示唆された。
• N/C や N/O といった組成比は、個々の窒素組成よりもモデルとより良い一致を示しており、星の進化モデルを検証するには多元素の制約が不可欠であることが示唆された。