[论文解读] Observations of the Bright Star in the Globular Cluster 47 Tucanae (NGC 104)

W. V. Dixon, P. Chayer+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 79被引用 2

一句话总结

本研究利用FUSE、哈勃望远镜的COS以及Magellan MIKE的紫外和光学光谱，测定球状星团47 Tucanae（NGC 104）中明亮的后-AGB恒星的大气参数和光球层元素丰度。通过合成光谱拟合，得出有效温度Teff = 10,850 ± 250 K，表面重力log g = 2.20 ± 0.13，并测定了包括Pd、In、Sn、Hg和Pb等稀有元素在内的26种元素的丰度，揭示了类太阳的重元素丰度和较低的C/O比，表明未经历第三次对流混合，且暗示该恒星可能由前代恒星的物质增丰形成。

ABSTRACT

The Bright Star in the globular cluster 47 Tucanae (NGC 104) is a post-AGB star of spectral type B8 III. The ultraviolet spectra of late-B stars exhibit a myriad of absorption features, many due to species unobservable from the ground. The Bright Star thus represents a unique window into the chemistry of 47 Tuc. We have analyzed observations obtained with the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE), the Cosmic Origins Spectrograph (COS) aboard the Hubble Space Telescope, and the MIKE Spectrograph on the Magellan Telescope. By fitting these data with synthetic spectra, we determine various stellar parameters (T_eff = 10,850 +/- 250 K, log g = 2.20 +/- 0.13) and the photospheric abundances of 26 elements, including Ne, P, Cl, Ga, Pd, In, Sn, Hg, and Pb, which have not previously been published for this cluster. Abundances of intermediate-mass elements (Mg through Ga) generally scale with Fe, while the heaviest elements (Pd through Pb) have roughly solar abundances. Its low C/O ratio indicates that the star did not undergo third dredge-up and suggests that its heavy elements were made by a previous generation of stars. If so, this pattern should be present throughout the cluster, not just in this star. Stellar-evolution models suggest that the Bright Star is powered by a He-burning shell, having left the AGB during or immediately after a thermal pulse. Its mass (0.54 +/- 0.16 M_sun) implies that single stars in 47 Tuc lose 0.1--0.2 M_sun on the AGB, only slightly less than they lose on the RGB.

研究动机与目标

• 利用高分辨率紫外和光学光谱，测定球状星团47 Tucanae（NGC 104）中明亮后-AGB恒星的大气参数和光球层元素丰度。
• 通过该恒星的化学成分研究，探究星团的化学演化过程，特别是地基观测无法探测的元素。
• 基于丰度分布和模型拟合，评估该恒星的演化状态，包括其质量、光度以及是否经历第三次对流混合。
• 检验观测到的丰度模式（尤其是类太阳重元素丰度和低C/O比）是否反映星团中前代恒星的增丰作用。

提出的方法

• 利用远紫外光谱仪（FUSE）、哈勃望远镜上的宇宙起源光谱仪（COS）以及Magellan望远镜上的MIKE光谱仪获取并处理高分辨率紫外光谱。
• 采用Kurucz大气模型进行合成光谱拟合，从观测到的吸收线中推导有效温度（Teff）、表面重力（log g）和元素丰度。
• 利用附近热星（UIT 14）的星际介质（ISM）吸收特征，校正目标星谱中的ISM污染。
• 将26种元素（包括Ne、P、Cl、Ga、Pd、In、Sn、Hg、Pb）的观测等效宽度与合成光谱拟合，推导其相对于氢的光球层丰度。
• 应用恒星演化模型推断该恒星的质量（0.54 ± 0.16 M⊙）、光度和演化状态，特别是其后-AGB阶段及氦燃烧壳层起源。
• 比较中等质量元素（Mg–Ga）与重元素（Pd–Pb）的丰度趋势，评估核合成起源及星团范围内的化学均一性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于多波段紫外和光学光谱，该明亮后-AGB恒星在47 Tucanae中的大气参数（Teff、log g）为何？
• RQ2 在该星团中首次测量到的26种元素（包括稀有、重及中子俘获元素）的光球层丰度是多少？
• RQ3 该恒星中低C/O比是否表明其未经历第三次对流混合？这对其核合成历史有何含义？
• RQ4 观测到的丰度模式（尤其是类太阳重元素丰度）是否与星团中前代恒星的增丰作用一致？
• RQ5 该恒星的质量、光度和演化状态为何？与标准AGB及后-AGB演化模型相比有何异同？

主要发现

• 有效温度确定为Teff = 10,850 ± 250 K，表面重力为log g = 2.20 ± 0.13，与处于氦燃烧壳层的后-AGB恒星一致。
• 首次报告了该星团中Ne、P、Cl、Ga、Pd、In、Sn、Hg和Pb等26种元素的光球层丰度，其中大多数元素表现出类太阳或与铁成比例的丰度趋势。
• 中等质量元素（从Mg到Ga）的丰度与铁成比例，表明其增丰源于大质量超新星或AGB恒星。
• 重元素（从Pd到Pb）的丰度与太阳值一致，表明其经历的中子俘获过程极少，或与太阳系具有共同起源。
• 低C/O比（≤ 0.7）表明该恒星未经历第三次对流混合，暗示其可能形成于前代恒星增丰的物质。
• 恒星演化模型表明该恒星质量为0.54 ± 0.16 M⊙，在AGB阶段损失了0.1–0.2 M⊙，与球状星团中AGB恒星的典型质量损失一致。