[论文解读] Massive stars at low metallicity: Evolution and surface abundances of O dwarfs in the SMC

J.‐C. Bouret, T. Lanz+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 112被引用 47

一句话总结

本研究利用非局部热动平衡（NLTE）恒星大气模型（CMFGEN）分析了大麦哲伦云中23颗O型主序星的紫外和光学光谱，以探究低金属丰度对大质量恒星演化、旋转及表面元素丰度的影响。主要发现表明，快速旋转恒星在赫罗图中的演化轨迹更偏于垂直方向；尽管大多数恒星与包含旋转诱导混合的演化模型相符，但两颗极年轻的恒星表现出异常强烈的混合，挑战了现有模型，提示元素丰度比（而非单一元素丰度）是检验恒星演化理论的更优指标。

ABSTRACT

We study the evolution, rotation, and surface abundances of O-type dwarfs in the Small Magellanic Cloud. We analyzed the UV and optical spectra of twenty-three objects and derived photospheric and wind properties. The observed binary fraction of the sample is ~ 26%, which is compatible with more systematic studies, if one considers that the actual binary fraction is potentially larger owing to low-luminosity companions and that the sample excluded obvious spectroscopic binaries. The location of the fastest rotators in the H-R diagram indicates that these could be several Myr old. The offset in the position of these fast rotators compared with the other stars confirms the predictions of evolutionary models that fast-rotating stars tend to evolve more vertically in the H-R diagram. Only one star of luminosity-class Vz, expected to best characterize extreme youth, is located on the ZAMS, the other two stars are more evolved. The distribution of nitrogen abundance of O and B stars suggests that the mechanisms responsible for the chemical enrichment of slowly rotating massive stars depends only weakly on the star's mass. We confirm that the group of slowly rotating N-rich stars is not reproduced by the evolutionary tracks. Our results call for stronger mixing in the models to explain the range of observed N abundances. All stars have an N/C ratio as a function of stellar luminosity that matches the predictions of the stellar evolution models well. More massive stars have a higher N/C ratio than the less massive stars. Faster rotators show on average a higher N/C ratio than slower rotators. The N/O versus N/C ratios agree qualitatively well with those of stellar evolution models. The only discrepant behavior is observed for the youngest two stars of the sample, which both show very strong signs of mixing, which is unexpected for their evolutionary status.

研究动机与目标

• 理解低金属丰度对大质量恒星演化的影响，特别是对旋转和表面元素丰度的影响。
• 评估旋转混合在塑造大麦哲伦云中O型主序星表面元素丰度中的作用。
• 检验观测到的表面元素丰度（N、C、O）与旋转恒星演化模型预测的一致性。
• 研究大质量恒星中氮增强的分布是否如B型星研究所示，对质量的依赖性较弱。
• 识别观测与模型之间的差异，以评估是否需要增强混合或替代演化路径。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜和甚大望远镜获取大麦哲伦云中23颗O型主序星的高分辨率紫外和光学光谱。
• 应用非局部热动平衡恒星大气代码CMFGEN，推导光球层和星风特性，包括有效温度、重力加速度和表面元素丰度。
• 使用包含旋转的演化模型（Brott et al. 2011a）将观测到的赫罗图位置和表面元素丰度与理论预测进行比较。
• 分析ε(N)–vsini图中恒星的分布，以评估化学增强对恒星质量和旋转的依赖性。
• 将观测到的N/C和N/O元素丰度比与模型预测进行比较，以评估旋转混合在重现观测结果方面的有效性。
• 评估双星比例及其对观测到的元素异常（尤其是快速旋转恒星和年轻恒星）的潜在影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 大麦哲伦云中O型主序星的表面元素丰度与旋转恒星演化模型的预测相比如何？
• RQ2 旋转混合在解释低金属丰度大质量恒星中观测到的氮增强方面起什么作用？
• RQ3 为何样本中两颗最年轻的恒星尽管处于主序阶段，却表现出异常强烈的表面混合？
• RQ4 O型主序星中化学增强的分布与同一环境中B型星的分布相比如何？
• RQ5 在大质量恒星中，元素丰度比（如N/C、N/O）是否比单一元素丰度更能反映恒星演化状态？

主要发现

• 样本中约26%为快速旋转恒星，其在赫罗图中的位置表明其年龄约为4–5 Myr，与包含旋转的演化模型一致。
• 三颗最亮、最年轻的恒星（光度级Vz）中有两颗表现出强烈的混合迹象，这在其演化阶段是出乎意料的，挑战了现有模型。
• 65%的样本恒星与旋转演化模型吻合良好，而9%为明显异常值，表明相当一部分恒星需要增强混合或非标准演化路径。
• N/C比随恒星光度和旋转速度增加而上升，证实了理论预测：更强的旋转导致更大的混合和表面氮增强。
• 尽管质量不同，O型星和B型星在ε(N)–vsini图中的分布无法区分，表明驱动化学增强的机制对质量的依赖性较弱。
• N/C和N/O等元素丰度比与模型的符合度优于单一氮元素丰度，表明多元素约束对验证恒星演化模型至关重要。