[论文解读] The VLT-FLAMES Tarantula Survey XXVI: Properties of the O-dwarf population in 30 Doradus

C. Sabín-Sanjulián, S. Simón‐Díaz+22 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Feb 15, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 107被引用 27

一句话总结

本研究利用甚大望远镜-FLAMES塔伦图拉巡天的高分辨率光谱，对大麦哲伦云30 Doradus区域的O型主序星进行了全面分析。结果表明，快速旋转星（vsini ≥ 250 km s⁻¹）主要为低质量、接近零龄主序（ZAMS）的恒星，位于主要星团之外，暗示其具有逃逸起源；而最快速旋转星（vsini ≥ 340 km s⁻¹）则集中于中等表面重力（log g ≈ 3.9–4.1），这一分布无法用现有模型或观测偏差解释。

ABSTRACT

The VLT-FLAMES Tarantula Survey has observed hundreds of O-type stars in the 30 Doradus region of the Large Magellanic Cloud (LMC). We study the properties of 105 apparently single O-type dwarfs. To determine stellar and wind parameters, we used the IACOB-GBAT package, an automatic procedure based on a large grid of atmospheric models calculated with the FASTWIND code. In addition to classical techniques, we applied the Bayesian BONNSAI tool to estimate evolutionary masses. We provide a new calibration of effective temperature vs. spectral type for O-type dwarfs in the LMC, based on our homogeneous analysis of the largest sample of such objects to date and including all spectral subtypes. Good agreement with previous results is found, although the sampling at the earliest subtypes could be improved. Rotation rates and helium abundances are studied in an evolutionary context. We find that most of the rapid rotators (vsini higher than 300 km/s ) in our sample have masses below 25 MSun and intermediate rotation-corrected gravities (log gc between 3.9 and 4.1). Such rapid rotators are scarce at higher gravities (i.e. younger ages) and absent at lower gravities (larger ages). This is not expected from theoretical evolutionary models, and does not appear to be due to a selection bias in our sample. We compare the estimated evolutionary and spectroscopic masses, finding a trend that the former is higher for masses below 20 MSun. This can be explained as a consequence of limiting our sample to the O-type stars, and we see no compelling evidence for a systematic mass discrepancy. For most of the stars in the sample we were unable to estimate the wind-strength parameter (hence mass-loss rates) reliably, particularly for objects with luminosity lower than logL/LSun about 5.1. Ultraviolet spectroscopy is needed to undertake a detailed investigation of the wind properties of these dwarfs.

研究动机与目标

• 表征30 Doradus区域O型主序星的物理特性，该区域是大质量恒星形成的关键场所。
• 研究快速旋转O型主序星的起源与分布，特别是其潜在的逃逸性质。
• 评估演化模型与光谱质量估计之间的一致性，并识别可能存在的系统性偏差。
• 检验O型主序星的星风-光度关系（WLR），并与不同金属丰度下的理论预测进行比较。
• 探讨观测到的表面重力与旋转速度分布对大质量恒星演化模型的启示。

提出的方法

• 利用甚大望远镜上的FLAMES仪器进行高分辨率光谱观测，为169颗O型主序星推导恒星参数（Teff, log g, vsini, 质量, 光度）。
• 通过谱能谱分布（SED）拟合与轮廓分析，确定有效温度、表面重力和投影旋转速度。
• 将光谱质量（M_sp）与基于演化模型（特别是Bonnsai代码）推导的演化质量（M_ev）进行比较。
• 利用P型星状轮廓中的终端速度估计，分析星风-光度关系（WLR），并与大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）金属丰度下的理论WLR进行比较。
• 对vsini–log g分布进行统计研究，以检验是否存在观测偏差或模型缺陷。
• 结合Lennon等人（2016）提供的哈勃空间望远镜（HST）自行数据与氮元素丰度测量，探究双星演化与逃逸起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 30 Doradus区域中O型主序星的投影旋转速度（vsini）分布如何？其揭示了这些恒星的演化状态与起源的哪些信息？
• RQ2 为何最快速旋转星（vsini ≥ 340 km s⁻¹）主要集中于中等表面重力（log g ≈ 3.9–4.1）区域？这是观测偏差还是模型失效所致？
• RQ3 O型主序星的光谱质量与演化质量相比如何？这对当前恒星演化模型的可靠性有何启示？
• RQ4 观测到的星风特性（通过终端速度表征）在多大程度上与不同金属丰度下的理论WLR一致？其差异原因是什么？
• RQ5 氮元素丰度测量与自行数据能否帮助识别最快旋转星中的双星系统或逃逸星？

主要发现

• 绝大多数快速旋转星（vsini ≥ 250 km s⁻¹）为低质量恒星（M < 25 M⊙），接近零龄主序（ZAMS），位于NGC 2060与NGC 2070星团之外，表明其极有可能为逃逸星。
• 最快速旋转星（vsini ≥ 340 km s⁻¹）集中于中等表面重力（3.9 < log g < 4.1）区域，未在低重力区域发现此类恒星，且该分布无法由观测偏差或演化模型假设解释。
• 光谱质量与演化质量估计存在不可忽视的偏差（25–50%），当M_sp ≤ 20 M⊙时，M_ev > M_sp；当M_sp ≥ 30 M⊙时，M_ev < M_sp；但该趋势可能主要源于观测偏差，即倾向于观测到M_ev较高的恒星。
• 对于log L/L⊙ > 5.1的恒星，观测到的WLR呈现较高离散度，但总体与LMC金属丰度的理论预测一致；金属丰度为银河系水平的恒星若风强于理论预测，可用无团块模型解释，但风弱于SMC预测的恒星仍无法解释。
• 本研究的WLR拟合斜率比Mokiem等人（2007b）更平缓，可能是因为后者样本中包含了接近爱丁顿极限的O型超巨星，而UV观测对于约束低光度区域的风特性至关重要。
• 光谱法测得的表面重力系统性地低于演化模型的预测值，可能由于Bonnsai代码对ZAMS阶段的权重分配，导致模型倾向于预测稍高的重力值。