[论文解读] Reprocessing the Hipparcos data for evolved stars III Revised Hipparcos period-luminosity relationship for galactic long-period variable stars

G. R. Knapp, D. Pourbaix+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用 111

一句话总结

本研究重新分析了银河系长周期变星的依巴谷视差和K波段星等，采用改进的天体测量拟合方法和消光修正，推导出修正后的周期-光度（P-L）关系。研究发现，Mira型与SRb型变星具有不同斜率的P-L关系，表明脉动模式存在依赖性；且周期超过400天的恒星质量损失率较高，主要为Mira型变星，暗示在长周期下脉动模式切换机制可能失效。

ABSTRACT

We analyze the K band luminosities of a sample of galactic long-period variables using parallaxes measured by the Hipparcos mission. The parallaxes are in most cases re-computed from the Hipparcos Intermediate Astrometric Data using improved astrometric fits and chromaticity corrections. The K band magnitudes are taken from the literature and from measurements by COBE, and are corrected for interstellar and circumstellar extinction. The sample contains stars of several spectral types: M, S and C, and of several variability classes: Mira, semiregular SRa, and SRb. We find that the distribution of stars in the period-luminosity plane is independent of circumstellar chemistry, but that the different variability types have different P-L distributions. Both the Mira variables and the SRb variables have reasonably well-defined period-luminosity relationships, but with very different slopes. The SRa variables are distributed between the two classes, suggesting that they are a mixture of Miras and SRb, rather than a separate class of stars. New period-luminosity relationships are derived based on our revised Hipparcos parallaxes. The Miras show a similar period-luminosity relationship to that found for Large Magellanic Cloud Miras by Feast et al. (1989). The maximum absolute K magnitude of the sample is about -8.2 for both Miras and semi-regular stars, only a little fainter than the expected AGB limit. We show that the stars with the longest periods (P>400d) have high mass loss rates and are almost all Mira variables.

研究动机与目标

• 通过重新处理中间天体测量数据并应用色度修正，提高演化中长周期变星依巴谷视差的精度。
• 结合文献中的修正K波段星等与COBE DIRBE数据，推导出银河系长周期变星可靠的周期-光度（P-L）关系。
• 研究包周化学成分（M型、S型、C型）或变星类型（Mira型、SRa型、SRb型）是否影响P-L关系，并评估脉动模式与质量损失的作用。
• 确定太阳邻近区域渐近巨星支（AGB）恒星的最大本征光度，并评估利用P-L关系进行距离测量的可行性。
• 检查质量损失率与脉动周期及变星类型的关系，尤其关注长周期恒星。

提出的方法

• 利用改进的天体测量拟合技术与色度修正，从中间天体测量数据重新计算依巴谷视差。
• 从文献和COBE DIRBE时间序列数据中获取K波段星等，并应用星际与包周消光修正。
• 根据光谱类型（M型、S型、C型）与变星类型（Mira型、SRa型、SRb型）对恒星进行分类，以在各组内分析P-L关系。
• 采用形式 $ M_K = a \times \log P + b $ 拟合周期-光度关系，其中 $ M_K $ 为绝对K波段星等，$ P $ 单位为天。
• 利用P-M_K平面中恒星的分布，分析质量损失率与周期及变星类型的关系。
• 评估推导出的P-L关系与大麦哲伦云及银河系银心区域P-L关系的一致性，并讨论对脉动模式切换的启示。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系长周期变星的P-L关系在Mira型与SRb型变星之间是否存在显著差异？若有，具体表现为何？
• RQ2 包周化学成分（M型、S型、C型）如何影响演化中恒星的P-L关系？
• RQ3 脉动模式（基频与倍频）与长周期变星中观测到的P-L斜率之间存在何种关系？
• RQ4 质量损失率如何与脉动周期及变星类型相关联，特别是对于周期超过400天的恒星？
• RQ5 Mira型与SR型脉动模式之间的模式切换行为在多大程度上影响观测到的P-L关系？

主要发现

• 银河系Mira型变星的P-L关系与大麦哲伦云Mira型变星一致，斜率为 $ a \approx -3.5 $，最大绝对K波段星等为 $ -8.2 \pm 0.2 $。
• SRb型变星的P-L关系斜率显著小于Mira型变星，表明其脉动模式或物理机制不同。
• SRa型变星分布在Mira型与SRb型序列之间，表明其为两者混合体，而非独立类别。
• 周期超过400–500天的恒星质量损失率较高，且几乎全部为Mira型变星，表明在长周期下模式切换行为可能失效。
• 对于Mira型与SRb型变星，质量损失率均随周期稳定增加，且在相同周期下Mira型变星的质量损失率显著更高。
• 观测到的最大K波段绝对星等 $ -8.2 \pm 0.2 $ 对应的黑体辐射光度约为 ~5000–6000 $ L_\odot $，与理论AGB光度极限一致。