[论文解读] Abundance analysis for long-period variables II. RGB and AGB stars in the globular cluster 47\,Tuc

T. Lebzelter, W. Nowotny+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用 12

一句话总结

本研究利用流体静力学与动力学模型大气，分析了12颗球状星团47 Tuc中红巨星（包括长周期变星LPV）的高分辨率近红外光谱。结果表明，尽管存在模型-观测不匹配及未解析的质量损失效应，动力学模型在拟合脉动恒星的观测光谱方面显著优于流体静力学模型。

ABSTRACT

Asymptotic giant branch (AGB) stars play a key role in the enrichment of galaxies with heavy elements. Due to their large amplitude variability, the measurement of elemental abundances is a highly challenging task that has not been solved in a satisfactory way yet. Following our previous work we use hydrostatic and dynamical model atmospheres to simulate observed high-resolution near-infrared spectra of 12 variable and non-variable red giants in the globular cluster 47 Tuc. The 47 Tuc red giants are independently well-characterized in important parameters (mass, metallicity, luminosity). The principal aim was to compare synthetic spectra based on the dynamical models with observational spectra of 47 Tuc variables. Assuming that the abundances are unchanged on the upper giant branch in these low-mass stars, our goal is to estimate the impact of atmospheric dynamics on the abundance determination. We present new measurements of the C/O and 12C/13C ratio for 5 non-variable red giants in 47Tuc. The equivalent widths measured for our 7 variable stars strongly differ from the non-variable stars and cannot be reproduced by either hydrostatic or dynamical model atmospheres. Nevertheless, the dynamical models fit the observed spectra of long-period variables much better than any hydrostatic model. For some spectral features, the variations in the line intensities predicted by dynamical models over a pulsation cycle give similar values as a sequence of hydrostatic models with varying temperature and constant surface gravity.

研究动机与目标

• 评估大气动力学对长周期变星（LPV）元素丰度测定的影响。
• 将流体静力学与动力学模型大气的合成光谱与47 Tuc红巨星的高分辨率近红外光谱进行比较。
• 利用流体静力学模型作为参考，测定非变星红巨星中的C/O与12C/13C比值。
• 评估动力学模型是否能可靠地再现观测到的谱线强度及其在脉动周期中的变化。
• 识别当前动力学模型在低金属量AGB星中质量损失与尘埃形成方面的局限性。

提出的方法

• 利用高分辨率近红外光谱测量了47 Tuc中12颗红巨星的12 CO、13 CO、OH和Na谱线的等效宽度（EWs）。
• 构建了一组匹配观测恒星基本参数（质量、光度、金属量、脉动周期、T_eff）的流体静力学与动力学模型大气。
• 将模型计算的等效宽度与观测值进行比较以推导丰度，其中非变星恒星用作C/O与12C/13C比值的基准。
• 利用动力学大气模型模拟脉动周期中谱线强度的变化，并与不同有效温度的流体静力学模型序列进行比较。
• 检验动力学模型是否能再现变星在EW vs. (J-K)图中观测到的环形行为。
• 模型选择受光度、金属量、K波段振幅及光度测量约束，但光谱特征的差异表明当前模型物理想性存在局限。

实验结果

研究问题

• RQ1 动力学模型大气能否比流体静力学模型更好地再现47 Tuc中长周期变星的观测谱线强度？
• RQ2 动力学模型与不同温度的流体静力学模型序列相比，谱线强度在脉动周期中的变化有何异同？
• RQ3 观测到的LPV等效宽度在多大程度上偏离流体静力学与动力学模型的预测值？
• RQ4 47 Tuc中非变星红巨星的C/O与12C/13C比值是多少？这些值如何为变星的丰度测定提供参考？
• RQ5 为何当前动力学模型无法再现具有尘埃质量损失的恒星的近红外颜色与光谱特征？

主要发现

• 动力学模型对长周期变星观测光谱的拟合显著优于任何流体静力学模型，表明大气动力学对精确光谱合成至关重要。
• 47 Tuc变星的观测等效宽度无法被任何流体静力学或动力学模型再现，提示模型参数或物理机制存在缺陷。
• 动力学模型预测的谱线强度在脉动周期中的变化与流体静力学模型在不同有效温度下的变化相似，但其物理机制不同。
• 利用流体静力学模型成功测定了47 Tuc中五颗非变星红巨星的C/O与12C/13C比值，为变星提供了参考基准。
• 模型偏差可能源于对尘埃驱动质量损失与大气结构处理不充分，尤其在低光度、低金属量的AGB星中。
• 本研究结论认为，尽管动力学模型对准确丰度分析必不可少，但当前模型仍需在风机制与尘埃形成物理方面进一步改进，方能获得可靠结果。