[论文解读] The VLT-FLAMES Tarantula Survey XXV. Surface nitrogen abundances of O-type giants and supergiants

N. J. Grin, O. H. Ramírez-Agudelo+20 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Sep 1, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 80被引用 23

一句话总结

本研究基于VLT-FLAMES塔伦图拉巡天对72颗O型巨星和超巨星的表面氮丰度进行分析，以检验旋转混合模型。通过非-LTE合成谱拟合N ii-v谱线，发现约30–40%的低重力恒星表现出强烈的氮增强，尽管其自转速度较慢，这与单星旋转混合模型的预测相矛盾，提示双星相互作用或磁场可能在其中发挥作用。

ABSTRACT

Theoretically, rotation-induced chemical mixing in massive stars has far reaching evolutionary consequences, affecting the sequence of morphological phases, lifetimes, nucleosynthesis, and supernova characteristics. Using a sample of 72 presumably single O-type giants to supergiants observed in the context of the VLT-FLAMES Tarantula Survey (VFTS), we aim to investigate rotational mixing in evolved core-hydrogen burning stars initially more massive than $15\,M_\odot$ by analysing their surface nitrogen abundances. Using stellar and wind properties derived in a previous VFTS study, we constrained the nitrogen abundance by fitting the equivalent widths of relatively strong lines that are sensitive to changes in the abundance of this element. Given the quality of the data, we constrained the nitrogen abundance in 38 cases; for 34 stars only upper limits could be derived, which includes almost all stars rotating at $v_\mathrm{e}\sin i >200\,\mathrm{km s^{-1}}$. We analysed the nitrogen abundance as a function of projected rotation rate $v_\mathrm{e}\sin i$ and confronted it with predictions of rotational mixing. The upper limits on the nitrogen abundance of the rapidly rotating stars are not in apparent violation with theoretical expectations. However, we found a group of N-enhanced slowly-spinning stars that is not in accordance with predictions of rotational mixing in single stars. Among O-type stars with (rotation-corrected) gravities less than $\log\,g_c = 3.75$ this group constitutes 30$-$40 percent of the population. We found a correlation between nitrogen and helium abundance which is consistent with expectations, suggesting that, whatever the mechanism that brings N to the surface, it displays CNO-processed material.

研究动机与目标

• 研究初始质量大于15 M☉的演化核心氢燃烧O型恒星中的旋转混合机制。
• 检验观测到的表面氮丰度是否与旋转恒星演化模型的预测一致。
• 确定在自转速度较慢的恒星中观测到的氮增强是否能由单星旋转混合解释。
• 评估双星相互作用或替代机制（如磁场）在解释异常表面丰度中的作用。
• 通过分析氮与氦丰度之间的相关性，作为CNO循环产物物质输运的诊断工具。

提出的方法

• 使用非-LTE大气模型代码fastwind，为72颗O型巨星和超巨星合成光学N ii-v谱线（最多21条）。
• 将合成等效宽度与观测谱线拟合，以约束氮丰度，重点关注相对较强且对氮敏感的谱线。
• 应用旋转修正后的表面重力（log g_c ≤ 3.75）以选取一个完整且具有代表性的样本，用于与演化模型比较。
• 对34颗vₑsin i > 170 km s⁻¹的恒星计算氮丰度的上限，因其弱谱线信噪比较低。
• 将观测到的氮丰度与投影自转速度同Brott等（2011a）和Ekström等（2012）的群体合成模型预测进行比较。
• 分析氮与氦丰度之间的相关性，以评估其与CNO循环产物物质输运的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自转速度较慢的O型巨星和超巨星中，观测到的表面氮丰度是否与单星旋转混合模型的预测一致？
• RQ2 在表面重力较低（log g_c ≤ 3.75）的O型巨星和超巨星中，有多少比例表现出与旋转混合理论不一致的氮增强？
• RQ3 氮与氦丰度之间的相关性是否与CNO循环产物物质输运至表面一致？
• RQ4 在快速旋转恒星（vₑsin i > 170 km s⁻¹）中观测到的氮丰度上限是否能够排除旋转混合模型？
• RQ5 双星相互作用或磁场是否可以解释那些偏离旋转混合预测的、氮增强但自转缓慢的恒星群体？

主要发现

• 约60–70%的表面重力log g_c ≤ 3.75的O型巨星和超巨星，其表面氮丰度与单星旋转混合模型的预测一致。
• 约30–40%的低重力样本表现出强烈的氮增强，尽管其投影自转速度低于140 km s⁻¹，该群体规模约为旋转混合模型预测值的五倍。
• 在考虑宏观湍流线型展宽修正后，氮增强但自转缓慢的恒星的平均投影自转速度为78 ± 19 km s⁻¹。
• 氮增强但自转缓慢的恒星的平均演化质量为38 ± 13 M☉，显著高于其余样本的28 ± 8 M☉。
• 观测到氮与氦丰度之间存在显著相关性，与CNO循环产物物质输运至表面的理论一致。
• 对快速旋转恒星（vₑsin i > 170 km s⁻¹）的氮丰度上限并不与旋转混合模型矛盾，但需要更高信噪比的数据以在高自转速率下验证该理论。