[论文解读] Classical Cepheid Pulsation Models. XI. Effects of convection and chemical composition on the Period-Luminosity and Period-Wesenheit relations

G. Fiorentino, M. Marconi+2 more|ArXiv.org|Jul 6, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用 33

一句话总结

本文提出了经典造父变星的新非线性脉动模型，研究了对流（通过混合长度参数 $ l/H_p $）和化学组成对周期-光度（PL）关系与周期-韦森海特（PW）关系的影响。结果表明，尽管 $ l/H_p $ 会影响不稳定的条带宽度，尤其是在高金属度时，PW关系仍保持稳健，主要对金属度敏感，因此可仅从观测的 $ BVI $ 或 $ BVK $ 星等准确估计距离和金属度。

ABSTRACT

In spite of the relevance of Classical Cepheids as primary distance indicators, a general consensus on the dependence of the Period-Luminosity (PL) relation on the Cepheid chemical composition has not been achieved yet. From the theoretical point of view, our previous investigations were able to reproduce some empirical tests for suitable assumptions on the helium to metal relative enrichment, but those results relied on specific assumptions concerning the Mass-Luminosity relation and the efficiency of the convective transfer in the pulsating envelopes. In this paper, we investigate the effects of the assumed value of the mixing length parameter l/Hp on the pulsation properties and we release the assumption of a fixed Mass-Luminosity relation. As a whole, we show that our pulsation relations appear fully consistent with the observed properties of Galactic and Magellanic Cloud Cepheids, supporting the predicted steepening and brightening of the PL relations when moving from metal-rich to metal-poor variables. Moreover, we show that the distances inferred by the predicted PW relations agree with recently measured trigonometric parallaxes, whereas they suggest a correction to the values based on the Infrared Surface Brightness technique, as already found from an independent method. Finally, also the pulsation metal contents suggested by the predicted PW relations appear in statistical agreement with spectroscopic [Fe/H] measurements.

研究动机与目标

• 研究混合长度参数 $ l/H_p $ 和化学组成如何影响经典造父变星的周期-光度（PL）关系与周期-韦森海特（PW）关系。
• 通过基于经典模型的演化轨迹，解除固定质量-光度关系的假设。
• 推导出对金属度依赖的稳健PW关系，用于距离和金属度估计，且不依赖于质量-光度关系。
• 检验预测关系与银河系及大麦哲伦云（LMC）造父变星观测数据（包括哈勃空间望远镜视差和光谱测量）的一致性。
• 通过将基于脉动模型的距离与红外表面亮度（ISB）技术所得距离进行比较，评估ISB技术的可靠性。

提出的方法

• 计算了 $ Z = 0.004, 0.008, 0.01, 0.02 $ 和 $ l/H_p = 1.7-1.8 $ 的新非线性湍流脉动基本模，其值高于以往的取值。
• 将脉动模型与更新的演化轨迹相结合，推导出不同测光波段下的合成PL与PW关系。
• 引入比值 $ \log(L/L_{\text{can}}) $，其中 $ L_{\text{can}} $ 为无对流、无质量损失模型的典型光度，以分离脉动与演化假设的影响。
• 推导出基于质量与演化的PW关系，以独立于质量-光度关系的方式估计距离和金属度。
• 使用 $ \log(L/L_{\text{can}}) $ 比值校正演化效应，并与哈勃空间望远镜视差及ISB法距离进行比较。
• 将理论PW关系与银河系及LMC造父变星的观测 $ BVI $ 和 $ BVK $ 星等进行对比，以验证预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 改变混合长度参数 $ l/H_p $ 如何影响不稳定的条带宽度以及PL和PW关系的形状？
• RQ2 预测的PW关系在多大程度上依赖于金属度和氦丰度？能否用于仅从测光数据推断距离和金属度？
• RQ3 预测的PL和PW关系与银河系及LMC造父变星的观测数据（包括哈勃空间望远镜视差和光谱 [Fe/H] 测量）相比如何？
• RQ4 $ \log(L/L_{\text{can}}) $ 比值对基于脉动的距离与天体测量及ISB法测量之间的一致性有何影响？
• RQ5 脉动模型是否预测了PL关系的金属度依赖性偏移？该预测是否与光学与近红外波段的观测趋势一致？

主要发现

• 将 $ l/H_p $ 从 1.5 增加到 1.7–1.8 会使不稳定的条带变窄，尤其在 $ Z \geq 0.01 $ 时，这是由于红边发生蓝移所致。
• 在固定 $ Z $ 条件下，PW关系对 $ l/H_p $ 的变化不敏感，但对金属度高度敏感，使其成为距离和金属度估计的理想工具。
• 平均 $ \log(L/L_{\text{can}}) = 0.25 \pm 0.12 $ 与银河系造父变星的哈勃空间望远镜视差测量一致，支持轻微的周期依赖性 $ \log(L/L_{\text{can}}) = 0.41 - 0.19\log P $。
• 除非假设非物理的 $ \log(L/L_{\text{can}}) $ 值，否则基于脉动的距离与基于ISB的距离不一致，表明ISB距离需修正 $ \Delta\mu_0 = 0.50 - 0.45\log P $。
• 对LMC造父变星预测的PW关系在 $ \log(L/L_{\text{can}}) = 0 $ 时给出 $ \mu_0 = 18.73 \pm 0.09 $ mag，在 $ \log(L/L_{\text{can}}) = 0.25 $ 时给出 $ \mu_0 = 18.52 \pm 0.11 $ mag，与观测一致。
• 预测的金属度效应——贫金属造父变星的PL关系更陡且更亮——得到了基于哈勃空间望远镜的银河系距离和LMC观测数据的支持，其中光学关系的金属度依赖性强于近红外关系。