[论文解读] Properties of Galactic early-type O-supergiants: A combined FUV-UV and optical analysis

J.‐C. Bouret, D. J. Hillier+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 119被引用 88

一句话总结

本研究结合FUV-UV与光学光谱，利用非-LTE风模型（CMFGEN）对16颗银河系早期型O型超巨星（O4–O7.5）的物理参数与风参数进行推导。研究发现，观测到的N/C比值偏离理论预测，表明旋转混合模型存在局限性；当考虑团块化效应时，质量损失率与理论值一致，填充因子为0.05 ± 0.02，且对大多数恒星而言，团块化在光球层附近即开始形成。

ABSTRACT

We aim to constrain the properties and evolutionary status of early and mid-spectral type supergiants (from O4 to O7.5). These posses the highest mass-loss rates among the O stars, and exhibit conspicuous wind profiles. Using the non-LTE wind code CMFGEN, we simultaneously analyzed the FUV-UV and optical spectral range to determine the photospheric properties and wind parameters. We derived effective temperatures, luminosities, surface gravities, surface abundances, mass-loss rates, wind terminal velocities, and clumping filling factors. The supergiants define a very clear evolutionary sequence, in terms of ages and masses, from younger and more massive stars to older stars with lower initial masses. O4 supergiants cluster around the 3 Myr isochrone and are more massive than 60 Msun, while the O5 to O7.5 stars have masses in the range 50 - 40 Msun and are 4 +/- 0.3 Myr old. The surface chemical composition is typical of evolved O supergiants (nitrogen-rich, carbon- and oxygen-poor). While the observed ranges of carbon and nitrogen mass-fractions are compatible with those expected from evolutionary models for the measured stellar masses, the N/C ratios as a function of age are inconsistent with the theoretical predictions for the four earliest (O4 spectral type) stars of the sample. We question the efficiency of rotational mixing as a function of age for these stars and suggest that another mechanism may be needed to explain the observed abundance patterns. Mass-loss rates derived with clumped-models range within a factor of three of the theoretical mass-loss rates. The corresponding volume-filling factors associated with small-scale clumping are 0.05 +/- 0.02. Clumping is found to start close to the photosphere for all but three stars, two of which are fast rotators.

研究动机与目标

• 通过多波段光谱分析，约束早期型O型超巨星的演化状态与物理参数。
• 通过在非-LTE模型中考虑风团块化，检验理论质量损失率的可靠性。
• 通过将观测到的N/C比值与理论预测对比，评估旋转混合在塑造表面元素丰度中的作用。
• 通过同时建模FUV-UV与光学谱线，提高表面重力与质量测定的准确性。
• 探索团块化的径向分层结构及其对大质量恒星风光谱诊断的影响。

提出的方法

• 利用非-LTE辐射转移代码CMFGEN，对FUV-UV与光学光谱进行联合分析，以同时建模光球层与风成分。
• 结合FUSE与IUE的FUV-UV数据，以及ELODIE与FEROS的光学光谱，实现全面的光谱覆盖。
• 应用具有可变填充因子的团块化风模型，以校正因密度不均匀性导致的质量损失率高估。
• 通过孔隙率（或宏观团块化）形式引入微团块效应，以匹配观测到的谱线轮廓与电离分数。
• 采用非空隙的星风间介质模型，以更准确地重现观测到的光谱特征。
• 利用电离平衡诊断工具（如P v）验证模型假设，并调整金属丰度，包括采用低于太阳系的P元素丰度以匹配观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑团块化效应时，O型超巨星推导出的质量损失率与理论预测相比如何？
• RQ2 在O4–O7.5型超巨星中，观测到的N/C元素丰度比在多大程度上与包含旋转混合的恒星演化模型预测一致？
• RQ3 O型超巨星的风团块化在何处以及如何开始？其径向分布特征如何？
• RQ4 微团块化对大质量恒星风的电离结构与出射光谱有何影响？
• RQ5 为何理论质量损失率系统性地高于经验估计值？这种差异是否与光度相关？

主要发现

• O4型超巨星年龄小于3 Myr，质量大于60 M☉；而O5–O7.5型恒星年龄为4.0 ± 0.3 Myr，质量介于50至40 M☉之间。
• 表面成分表现为氮富集、碳与氧贫化，与演化后的O型超巨星一致。
• 四颗O4型恒星的观测N/C比值偏离理论预测，表明旋转混合不足或需引入其他混合机制。
• 采用团块化模型推导的质量损失率与理论值相差不超过3倍，团块填充因子为0.05 ± 0.02。
• 除三颗恒星外，其余恒星的团块化均在光球层附近开始，其中两颗快速旋转星（λ Cep，ζ Puppis）及另一颗快速旋转星（HD 16691）表现出延迟的团块化起始。
• 理论值与观测值的质量损失率之比随光度增加而上升，表明模型可能对更热、更高质量的恒星高估了风驱动机制。