[论文解读] Chemical abundances of fast-rotating massive stars. I. Description of the methods and individual results

Constantin Cazorla, T. Morel+5 more|Open Repository and Bibliography (University of Liège)|Mar 16, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 157被引用 14

一句话总结

本研究利用多个天文台的高分辨率光谱，对40颗快速旋转的大质量恒星进行了化学丰度的同质化分析。研究推导了氦和CNO元素的丰度、恒星参数以及多重性状态，发现许多快速旋转恒星的氮丰度处于正常水平，这挑战了当前的旋转混合模型，并凸显了在大质量恒星演化理论中需要进一步完善。

ABSTRACT

Aims: Recent observations have challenged our understanding of rotational mixing in massive stars by revealing a population of fast-rotating objects with apparently normal surface nitrogen abundances. However, several questions have arisen because of a number of issues, which have rendered a reinvestigation necessary; these issues include the presence of numerous upper limits for the nitrogen abundance, unknown multiplicity status, and a mix of stars with different physical properties, such as their mass and evolutionary state, which are known to control the amount of rotational mixing. Methods: We have carefully selected a large sample of bright, fast-rotating early-type stars of our Galaxy (40 objects with spectral types between B0.5 and O4). Their high-quality, high-resolution optical spectra were then analysed with the stellar atmosphere modelling codes DETAIL/SURFACE or CMFGEN, depending on the temperature of the target. Several internal and external checks were performed to validate our methods; notably, we compared our results with literature data for some well-known objects, studied the effect of gravity darkening, or confronted the results provided by the two codes for stars amenable to both analyses. Furthermore, we studied the radial velocities of the stars to assess their binarity. Results: This first part of our study presents our methods and provides the derived stellar parameters, He, CNO abundances, and the multiplicity status of every star of the sample. It is the first time that He and CNO abundances of such a large number of Galactic massive fast rotators are determined in a homogeneous way.

研究动机与目标

• 通过重新评估快速旋转恒星的化学丰度，解决当前对大质量恒星中旋转混合理解上的不一致。
• 解决先前研究中的方法论问题，包括不可靠的氮上限估计、不确定的多重性状态，以及混合了不同质量与演化阶段的恒星群体。
• 利用最先进的恒星大气模型和多 epoch 径向速度监测，对银河系早型星进行一致且高精度的丰度分析。
• 通过径向速度变化和高角分辨率成像，评估快速旋转大质量恒星的多重性状态。
• 建立一个关于快速旋转大质量恒星的同质化氦和CNO丰度基准数据集，以支持恒星演化模型的发展。

提出的方法

• 使用来自TIGRE/HEROS、OHP/SOPHIE、Magellan/MIKE以及GOSSS、AAT/UCLES、ESO/FEROS等项目的档案数据的高分辨率、高信噪比光学光谱。
• 根据目标恒星的有效温度，应用DETAIL/SURFACE和CMFGEN恒星大气模型代码，推导恒星参数和化学丰度。
• 通过与文献值比较、测试重力昏暗效应，并在两种建模代码之间交叉验证，进行内部和外部验证。
• 利用径向速度监测和LOSP程序检测和建模光谱双星，为其中几颗恒星确定了轨道解。
• 结合多个望远镜（如2MASS、NARVAL、ESPRESSO）的高角分辨率成像数据，检测近距离伴星并评估多重性。
• 对径向速度残差进行统计检验，并使用傅里叶周期图分析估算疑似双星的轨道周期。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于具有高投影旋转速度（vsini > 150 km/s）的快速旋转大质量恒星，其氮丰度是否如旋转混合模型所预测的那样显著增强？
• RQ2 快速旋转大质量恒星的真实多重性状态是什么？双星系统如何影响丰度测定和径向速度测量？
• RQ3 快速旋转恒星的氦和CNO丰度与理论预期值相比如何？与慢速旋转或单星相比又如何？
• RQ4 丰度分析中的系统性不确定因素（如重力昏暗或模型假设）在多大程度上影响了对观测丰度模式的解释？
• RQ5 在快速旋转恒星中观测到的正常氮丰度能否与当前演化模型相协调？还是需要对旋转混合的描述进行修正？

主要发现

• 本研究首次对40颗银河系快速旋转大质量恒星实现了氦和CNO丰度的同质化测定，为未来建模提供了基准数据集。
• 许多快速旋转恒星的氮丰度与未演化或弱混合模型一致，挑战了快速旋转必然导致强烈CNO循环处理的预期。
• 为五颗恒星（HD 52266、HD 52533、HD 163892、HD 203064、HD 210839）确定了轨道解，轨道周期范围为5至186天，偏心率最高达0.23，表明样本中存在显著的双星成分。
• 高分辨率成像检测到多颗恒星存在近距离伴星，包括多星系统（如HD 52533具有Aa-Ab、A-B和A-C成分），证实了多重性是丰度解释中的关键因素。
• 径向速度监测确认HD 228841为单星，各观测历元间测量结果一致，支持其作为单个快速旋转恒星的分类。
• 光谱双星中伴星的质量范围为0.0027至1.57 M⊙，半振幅范围为1.7至90.4 km/s，表明双星系统涵盖了从低质量到中等质量的广泛范围。