[논문 리뷰] TESS first look at evolved compact pulsators : Discovery and asteroseismic probing of the g-mode hot B subdwarf pulsator EC 21494-7018

S. Charpinet, P. Brassard외 30명|2019. 10. 09.

Geophysics and Gravity Measurements참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 TESS 섹터 1 데이터에서 발견된 새로운 g-모드 진동하는 뜨거운 B형 하위거성(EC 21494-7018)의 발견과 항성진동 해석을 제시한다. 120초 간격의 광도 측정 자료를 사용하고 고급 sdB 항성 모델을 활용한 정방향 모델링을 통해, 이 별의 질량(0.391 ± 0.009 M☉), 수소 풍부한 대기권 질량(0.0037 ± 0.0010 M☉), 핵 조성 등을 규명하였으며, 낮은 질량의 원성으로 헬륨 핵 폭발을 피했을 가능성이 있으며, 핵 산소 농도에 대한 첫 직접 추정치(X(O)core = 0.16⁺⁰.¹³₋₀.₀₅)를 도출하였다.

ABSTRACT

We present the discovery and asteroseismic analysis of a new g-mode hot B subdwarf (sdB) pulsator, EC 21494-7018 (TIC 278659026), monitored in TESS first sector using 120-second cadence. The light curve analysis reveals that EC 21494-7018 is a sdB pulsator counting up to 20 frequencies associated with independent g-modes. The seismic analysis singles out an optimal model solution in full agreement with independent measurements provided by spectroscopy (atmospheric parameters derived from model atmospheres) and astrometry (distance evaluated from Gaia DR2 trigonometric parallax). Several key parameters of the star are derived. Its mass (0.391 +/- 0.009 Msun) is significantly lower than the typical mass of sdB stars, and suggests that its progenitor has not undergone the He-core flash, and therefore could originate from a massive (>2 Msun) red giant, an alternative channel for the formation of hot B subdwarfs. Other derived parameters include the H-rich envelope mass (0.0037 +/- 0.0010 Msun), radius (0.1694 +/- 0.0081 Rsun), and luminosity (8.2+/-1.1 Lsun). The optimal model fit has a double-layered He+H composition profile, which we interpret as an incomplete but ongoing process of gravitational settling of helium at the bottom of a thick H-rich envelope. Moreover, the derived properties of the core indicate that EC 21494-7018 has burnt ~43% (in mass) of its central helium and possesses a relatively large mixed core (Mcore = 0.198 +/- 0.010 Msun), in line with trends already uncovered from other g-mode sdB pulsators analysed with asteroseismology. Finally, we obtain for the first time an estimate of the amount of oxygen (in mass; X(O)core = 0.16 -0.05 +0.13) produced at this stage of evolution by an helium-burning core. This result, along with the core-size estimate, is an interesting constraint that may help to narrow down the still uncertain C12(alpha,gamma)O16 nuclear reaction rate.

연구 동기 및 목표

• TESS 광도 측정 자료를 활용하여 최신의 뜨거운 B형 하위거성인 EC 21494-7018의 진동 특성과 내부 구조를 조사한다.
• 항성진동 모델링을 통해 별의 기본 매개변수—질량, 반지름, 밝기, 대기권 질량—을 규명한다.
• 낮은 질량과 핵 구조를 바탕으로, 별이 진화 과정에서 헬륨 핵 폭발을 피했는지 평가한다.
• 진동 모델링을 통해 핵 조성, 특히 헬륨 연소를 통한 산소 생성을 제약한다.
• 자기측정(가우스 DR2)과 독립적인 스펙트로스코픽 측정 결과와의 비교를 통해 진동 모델을 검증한다.

제안 방법

• 표준 prewhitening 기법을 사용하여 TESS 섹터 1의 120초 간격 광도곡선을 분석하고, 진동 주파수를 추출하였다.
• 관측된 주파수를 일치시키기 위해 새로운 세대의 세밀한 비대류 및 비회전 sdB 항성 모델을 활용한 정방향 모델링을 시행하였다.
• 모든 관측된 g-모드 주파수를 동시에 피팅하여 최적의 일치 모델을 식별하고, 항성 매개변수와 내부 구조를 결정하였다.
• 최적 피팅 모델을 사용하여 수소 풍부한 대기권 질량, 핵 질량, 핵 조성(산소 농도 포함)을 추정하였다.
• 스펙트로스코픽 대기 매개변수와 Gaia DR2 삼각측량 기반 거리 측정 결과와의 비교를 통해 진동 모델의 타당성을 검증하였다.
• 대기권 기저부에서 불완전한 중력 침강을 반영하기 위해 이중층 구조의 헬륨+수소 조성 프로파일을 모델에 적용하였다.

Figure 1: Illustration of TESS photometry obtained for TIC 278659026. The top panel shows the entire light curve (amplitude is in percent of the mean brightness of the star) spanning 27.88 d sampled every 120 s. Gaps in this time series are due to the mid-sector interruption during data download and

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 발견된 g-모드 진동체인 EC 21494-7018의 내부 구조와 기본 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 EC 21494-7018의 낮은 질량은 진화 과정에서 헬륨 핵 폭발을 피했음을 의미하는가?
• RQ3 헬륨 연소 핵에서 생성된 산소의 농도는 무엇이며, 이는 ¹²C(α,γ)¹⁶O 반응 속도에 어떤 제약을 둔다?
• RQ4 관측된 진동 스펙트럼은 비대류 성분이 없는 sdB 모델의 이론적 g-모드 주파수와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 조성 프로파일은 대기권에서의 계속되는 헬륨 중력 침강과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• EC 21494-7018는 TESS 광도곡선에서 20개의 독립된 진동 주파수를 검출한 g-모드 진동체이다.
• 이 별의 질량은 0.391 ± 0.009 M☉로, 일반적인 sdB 별보다 현저히 낮으며, 이는 헬륨 핵 폭발을 피했을 가능성이 있음을 시사한다.
• 수소 풍부한 대기권 질량은 0.0037 ± 0.0010 M☉로, 두꺼운 편이지만 완전히 혼합되지 않은 대기권과 일치한다.
• 핵 질량은 0.198 ± 0.010 M☉로, 상대적으로 큰 혼합 핵을 나타내며, 다른 g-모드 sdB 진동체의 경향과 일치한다.
• 핵에서 약 43%의 중심 헬륨이 연소되었으며, 핵 내 산소 농도에 대한 첫 직접 추정치로 X(O)core = 0.16⁺⁰.¹³₋₀.₀₅를 도출하였다.
• 최적의 모델은 이중층 구조의 He+H 조성 프로파일을 나타내며, 이는 수소 풍부한 대기권 기저부에서 불완전한 헬륨 중력 침강을 해석하는 데 사용된다.

Figure 2: Frequencies detected in the g-mode pulsation range. The top curve shows a close-up view of the LSP computed from TIC 278659026 light curve. Each small vertical segment indicates a frequency extracted during the prewhitening and nonlinear least-squares fitting analysis. All frequencies and