[论文解读] On the nature of VX Sagitarii: Is it a TZO, a RSG or a high-mass AGB star?

H. M. Tabernero, R. Dorda+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用 32

一句话总结

本研究通过高分辨率光谱和AAVSO光度观测重新评估VX Sagittarii作为超-AGB恒星的性质，发现其表现出类似米拉变星的脉动、极高的光度（Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag），以及强Rb i谱线并伴有蓝移的包层成分——这些是持续s-过程富集的证据。结果挑战了其作为红超巨星或Thorne–Żytkow天体的分类，将VX Sgr定位为目前已知最明亮的AGB恒星，并是初始质量 >10 M⊙ 的大质量超-AGB恒星的有力候选者。

ABSTRACT

Aims. We present a spectroscopic analysis of the extremely luminous red star VX Sgr based on high-resolution observations combined with AAVSO light curve data. Given the puzzling characteristics of VX Sgr, we explore three scenarios for its nature: a massive red supergiant (RSG) or hypergiant (RHG), a Thorne Zytkow object (TZO), and an extreme Asymptotic Giant Branch (AGB) star. Methods. Sampling more than one whole cycle of photometric variability, we derive stellar atmospheric parameters by using state-of-the-art PHOENIX atmospheric models. We compare them to optical and near infrared spectral types. We report on some key features due to neutral elemental atomic species such as Li I, Ca I, and Rb I. Results. We provide new insights into its luminosity, evolutionary stage as well as its pulsation period. Based on all the data, there are two strong reasons to believe that VX Sgr is some sort of extreme AGB star. Firstly, its Mira-like behaviour during active phases. VX Sgr shows light variations with amplitudes much larger than any known RSG and clearly larger than all RHGs. In addition, it displays Balmer line emission and, as shown here for the first time, line doubling of its metallic spectrum at maximum light, both characteristics typical of Miras. Secondly, unlike any known RSG or RHG, VX Sgr displays strong Rb I lines. In addition to the photospheric lines that are sometimes seen, it always shows circumstellar components whose expansion velocity is compatible with that of the OH masers in the envelope, demonstrating a continuous enrichment of the outer atmosphere with s-process elements, a behaviour that can only be explained by third dredge up during the thermal pulse phase.

研究动机与目标

• 解决VX Sagittarii本质长期存在的模糊性，其分类曾包括红超巨星（RSG）、红超巨星（RHG）或Thorne–Żytkow天体（TZO）。
• 确定VX Sgr的极端光度、大振幅变异性及异常光谱特征是否与AGB、RSG或TZO演化模型一致。
• 评估脉动、对流及s-过程核合成在其大气与包层特性形成中的作用。

提出的方法

• 利用PHOENIX大气模型进行高分辨率光谱观测，以11个历元测量恒星参数（Teff, log g, [Fe/H], vsini）。
• 对AAVSO光曲线进行光度分析，以测量变光周期与振幅，包括757天的主要周期和长达28,279天（≈77年）的长期信号。
• 聚焦Li i、Ca i和Rb i谱线的光谱特征分析，以探测光球层与包层成分。
• 在最大亮度时检测金属谱线的线双峰现象，以确认脉动型米拉变星行为。
• 将包层膨胀速度与OH脉泽速度进行比较，以推断s-过程元素的供给。
• 交叉验证光谱类型与恒星参数，以评估不同观测阶段的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 VX Sagittarii最合理的解释是大质量红超巨星、Thorne–Żytkow天体，还是极端渐近巨星分支（AGB）恒星？
• RQ2 是什么驱动了VX Sgr中观测到的极端光度与光谱变异性，特别是660天的脉动和77年的调制？
• RQ3 为何VX Sgr表现出强Rb i谱线并具有持续的蓝移包层成分？这对其s-过程核合成有何含义？
• RQ4 观测到的光度（Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag）与已知AGB恒星相比如何？是否超过经典AGB演化理论的光度极限？
• RQ5 观测到的巴尔末线发射及最大亮度时的线双峰现象，是否可归因于脉动型米拉变星行为，而非双星相互作用或TZO物理机制？

主要发现

• VX Sagittarii表现出类似米拉变星的脉动，主周期为757天，且存在28,279天（≈77年）的长期调制，后者此前未被报道，可能与大质量AGB恒星中的热脉动有关。
• 该星的绝对总光度为Mbol ≈ −8.6 ± 0.6 mag，使其成为目前已知最明亮的AGB恒星，超过经典AGB恒星通常的光度极限（−8 mag）。
• 在最大亮度时金属吸收线出现的线双峰现象证实了米拉型脉动行为，而巴尔末线发射进一步支持了该分类。
• 持续存在的蓝移Rb i包层成分，其膨胀速度与OH脉泽速度一致，提供了s-过程元素通过第三次上翻过程持续富集的直接证据。
• Li i和Ca i特征的缺失排除了Thorne–Żytkow天体的起源，而高光度与质量估计值（10–12 M⊙）支持其被归类为超-AGB恒星。
• 观测到的光谱型变化（从M4到M10）及极端光度振幅（V波段达6等）与红超巨星不符，但与处于极端脉动状态的AGB恒星一致。