[论文解读] A Detailed Spectroscopic and Photometric Analysis of DQ White Dwarfs

P. Dufour, Bergeron, P.+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 7

一句话总结

本研究利用包含碳的改进模型大气，对56颗DQ型白矮星进行了均质的光谱与测光分析，结果表明有效温度和质量显著低于以往基于纯氦模型的估计。关键发现是，碳的引入降低了推断出的温度和质量，使其更符合DB型恒星前体的预期，并暗示氦层厚度为 log q(He) ≈ -3 至 -2，而温度分布约6000 K处的陡峭截止可能与C2H分子有关的未知物理机制相关。

ABSTRACT

We present an analysis of spectroscopic and photometric observations of cool DQ white dwarfs based on improved model atmosphere calculations. In particular, we revise the atmospheric parameters of the trigonometric parallax sample of Bergeron, Leggett, & Ruiz, and discuss the astrophysical implications on the temperature scale and mean mass, as well as the chemical evolution of these stars. We also analyze 40 new DQ stars discovered in the first data release of the Sloan Digital Sky Survey. Our analysis confirms that effective temperatures derived from model atmospheres including carbon are significantly lower than the temperatures obtained from pure helium models. Similarly the mean mass of the trigonometric parallax sample, = 0.62 Mo, is significantly lower than that obtained from pure helium models, = 0.73 Mo, and more consistent with the spectroscopic mean mass of DB stars, = 0.59 Mo, the most likely progenitors of DQ white dwarfs. We find that DQ stars form a remarkably well defined sequence in a carbon abundance versus effective temperature diagram; below Teff~10,000 K, carbon pollution decreases monotonically with decreasing effective temperature. Improved evolutionary models including diffusion and connecting to the PG 1159 phase are used to infer a typical value for the thickness of the helium layer M_He/M_* between 10^{-3} and 10^{-2}, compatible with the predictions of post-AGB models.

研究动机与目标

• 利用包含碳的改进模型大气重新分析冷却DQ型白矮星的大气参数，以解决先前纯氦模型在温度和质量估计上存在的不一致。
• 探究DQ型白矮星温度分布约6000 K处观测到的截止现象的物理解释，尽管理论上预期存在更冷的DQ型白矮星。
• 基于质量和丰度相关性，判断碳异常丰富的DQ型恒星是否代表白矮星质量函数的高质质量尾部。
• 评估推断出的氦层厚度与后AGB演化模型的一致性，特别是考虑到先前观测值与预测值之间的差异。

提出的方法

• 利用包含原子和分子碳的更新模型大气计算，推导出56颗DQ型白矮星的有效温度和碳丰度。
• 对BRL/BLR三角视 parallax 样本（16颗恒星）和斯隆数字巡天（SDSS DR1）新发现的40颗DQ型恒星，应用光谱与测光拟合技术。
• 采用改进的演化模型，结合扩散效应与PG 1159相连接，从观测到的碳丰度与温度趋势推断氦层厚度（M_He/M_star）。
• 将观测到的C/He丰度与T_eff分布与Pelletier等（1986）及Fontaine & Brassard（2005）的理论预测进行比较，以约束氦层厚度。
• 利用三角视 parallax 测量推导恒星质量，并评估推断质量与DB型恒星光谱平均质量的一致性。
• 分析约6000 K处温度分布截止的统计显著性，并探讨其与C2H星（具有未识别分子特征）存在的潜在关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 与纯氦模型相比，当模型大气中包含碳时，DQ型白矮星的有效温度和质量如何变化？
• RQ2 DQ型白矮星的氦层厚度如何推断？其结果与后AGB演化模型的预测相比如何？
• RQ3 为何DQ型白矮星的数量分布呈现约6000 K的陡峭截止？其背后的物理机制可能是什么？
• RQ4 碳丰度异常高的DQ型恒星是否更可能具有更高的质量，表明其代表白矮星质量函数的高质质量尾部？
• RQ5 DQ型恒星中观测到的温度截止是否与C2H星的存在有关，后者在较低温度下表现出未识别的分子特征？

主要发现

• 包含碳的模型大气推导出的有效温度显著低于纯氦模型的结果，这是由于额外碳离子提供的自由电子增加了He自由-自由跃迁的不透明度。
• 三角视 parallax 样本的DQ型恒星平均质量从纯氦模型下的0.73 M_sun 下调至碳包含模型下的0.62 M_sun，更接近DB型恒星的光谱平均质量（0.59 M_sun）。
• DQ型恒星在log(C/He)与T_eff图中形成一条清晰的序列，碳丰度随有效温度降低而单调递减。
• 大多数DQ型恒星的推断氦层厚度（log q(He)）介于-3至-2之间，比先前报告的~ -3.75更符合后AGB演化模型的预测。
• 碳丰度高于平均值的DQ型恒星质量更大，其中G47-18为样本中最重的恒星，表明其可能代表白矮星质量函数的高质质量尾部。
• DQ型恒星的数量分布显示出在T_eff ≈ 6000 K处具有统计显著性的截止，且在约7000 K附近出现突然下降，表明存在未知的物理机制，可能与较冷恒星中C2H分子的形成有关。