[论文解读] The IACOB project: III. New observational clues to understand macroturbulent broadening in massive O- and B-type stars

S. Simón‐Díaz, M. Godart+6 more|Lirias (KU Leuven)|Aug 19, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 66被引用 55

一句话总结

本研究分析了430颗O型和B型恒星的高分辨率光谱，以探究宏观湍流导致的谱线加宽的物理成因。通过傅里叶变换与拟合优度技术，研究发现O型恒星和B型超巨星表现出一种主导的、均匀的非旋转加宽机制——可能由次表层对流区中的湍流压强不稳定性引起——与质量较小的B型主序星中由脉动驱动的加宽机制截然不同。

ABSTRACT

We aim to provide new empirical clues about macroturbulent spectral line broadening in O- and B-type stars to evaluate its physical origin. We use high-resolution spectra of ~430 stars with spectral types in the range O4-B9 (all luminosity classes). We characterize the line-broadening of adequate diagnostic metal lines using a combined FT and GOF technique. We perform a quantitative spectroscopic analysis of the whole sample using automatic tools coupled with a huge grid of FASTWIND models. We also incorporate quantitative information about line asymmetries to our observational description of the characteristics of the line-profiles, and present a comparison of the shape and type of line-profile variability found in a small sample of O stars and B supergiants with still undefined pulsational properties and B main sequence stars with variable line-profiles. We present a homogeneous and statistically significant overview of the (single snapshot) line-broadening properties of stars in the whole O and B star domain. We find empirical evidence of the existence of various types of non-rotational broadening agents acting in the realm of massive stars. Even though all of them could be quoted and quantified as a macroturbulent broadening from a practical point of view, their physical origin can be different. Contrarily to the early- to late-B dwarfs/giants, which present a mixture of cases in terms of line-profile shape and variability, the whole O-type and B supergiant domain (or, roughly speaking, stars with M_ZAMS > 15 M_sol) is fully dominated by stars with a remarkable non-rotational broadening component and very similar profiles (including type of variability). We provide some examples illustrating how this observational dataset can be used to evaluate scenarios aimed at explaining the existence of sources of non-rotational broadening in massive stars.

研究动机与目标

• 确定大质量O型和B型恒星中非旋转谱线加宽（宏观湍流）的物理成因。
• 区分由恒星振荡引起的宏观湍流加宽与其他机制（如对流或黑子）引起的加宽。
• 评估同一加宽机制是否在大质量恒星的不同演化阶段中均起作用。
• 评估脉动变异性在O型恒星和B型超巨星中对谱线轮廓的影响，与B型主序星相比。
• 为大质量恒星谱线轮廓变异性理论模型提供观测约束。

提出的方法

• 从拉帕尔马天文台的北欧光学望远镜和梅加托望远镜获取高分辨率光谱数据。
• 采用结合傅里叶变换与拟合优度技术的方法，测量谱线加宽参数，包括投影旋转速度（v sin i）和宏观湍流速度（v_mac）。
• 使用自动工具和大规模快速风模型网格进行定量光谱分析，以确定有效温度和重力加速度。
• 对样本中的谱线轮廓不对称性和变异性类型进行表征，以识别不同的加宽行为。
• 将八颗恒星（四颗O/B型超巨星和四颗脉动B型主序星）的多 epoch 谱线轮廓变异性与已知的脉动或黑子引起的变异性进行比较。
• 评估观测到的加宽和变异性模式与涉及对流、脉动和表面不均匀性的理论情景的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 O型恒星和B型超巨星中主导的非旋转谱线加宽主要由何种物理机制驱动？
• RQ2 O型恒星和B型超巨星的谱线轮廓变异性特征与已知脉动的较轻质B型主序星有何不同？
• RQ3 大质量恒星中的宏观湍流加宽在多大程度上与恒星振荡有关，而非次表层对流？
• RQ4 O型和B型超巨星中谱线轮廓形状和变异性类型的观测一致性，是否指向单一主导加宽机制？
• RQ5 O型恒星和B型超巨星中观测到的谱线轮廓变异性主要由热驱动脉动引起，还是由其他机制（如黑子或星风变异性）引起？

主要发现

• O型恒星和B型超巨星（M_ZAMS ≳ 15 M⊙）表现出主导的、均匀的非旋转加宽成分，其谱线轮廓具有相似的形状和变异性模式。
• O型恒星和B型超巨星中的宏观湍流加宽可能源于次表层对流区中的湍流压强不稳定性，而非脉动或表面黑子。
• 相比之下，低v sin i的B型主序星表现出显著的由热驱动脉动引起的加宽，但其v_mac值不及更高质量恒星中的值。
• O型恒星和B型超巨星中的谱线轮廓变异性与脉动B型矮星的变异性并非始终由同一物理机制驱动，表明其加宽机制来源不同。
• 观测到的谱线不对称性分布（RSk）与平均值为零的净效应一致，尽管噪声可能影响测量结果，凸显了多 epoch 数据的必要性。
• 本研究为一种理论情景提供了观测支持：在大质量演化恒星中，对流驱动的湍流运动主导了加宽，而脉动仅在质量较小、温度较低的B型恒星中变得显著。