[论文解读] S stars and s-process in the Gaia era I. Stellar parameters and chemical abundances in a sub-sample of S stars with new MARCS model atmospheres

S. Shetye, S. Van Eck+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 63被引用 10

一句话总结

本研究利用高分辨率HERMES光谱、Gaia DR2视差和新开发的MARCS模型大气，分析了19颗S型恒星的恒星参数和s过程元素丰度。结果证实，Tc富集（原生）S型恒星为Nb贫乏，位于热脉动渐近巨星分支（TP-AGB）；而Tc贫乏（外生）S型恒星为Nb富集，位于红巨星分支（RGB）或早期AGB，表明其演化路径由双星质量转移和第三次对流包层事件所塑造。

ABSTRACT

S stars are transition objects between M-type giants and carbon stars on the asymptotic giant branch (AGB). They are characterized by overabundances of s-process elements. Roughly half of them are enhanced in technetium (Tc), an s-process element with no stable isotope, while the other half lack technetium. This dichotomy arises from the fact that Tc-rich S stars are intrinsically producing s-process elements and have undergone third dredge-up (TDU) events, while Tc-poor S stars owe their s-process overabundances to a past pollution by a former AGB companion. Our aim is to analyse the abundances of S stars and gain insights into their evolutionary status and on the nucleosynthesis of heavy s-process elements taking place in their interior. In particular, the location of extrinsic and intrinsic S stars in the HR diagram will be compared with the theoretical onset of the TDU on the thermally-pulsing AGB. A sample of 19 S-type stars was analysed by combining HERMES high-resolution spectra, accurate Gaia Data Release 2 (GDR2) parallaxes, stellar-evolution models, and newly-designed MARCS model atmospheres for S-type stars. Combining the derived parameters with GDR2 parallaxes allows a joint analysis of the location of the stars in the Hertzsprung-Russell diagram and of their surface abundances. For all 19 stars, Zr and Nb abundances are derived, complemented by abundances of other s-process elements for the three Tc-rich S stars. These abundances agree within the uncertainties with nucleosynthesis predictions for stars of corresponding mass, metallicity and evolutionary stage. Most extrinsic S stars lie close to the tip of the red giant branch (RGB), and a few are located along the early AGB. The location of intrinsic S stars in the HR diagram is compatible with them being thermally-pulsing AGB stars.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱和改进的模型大气，精确测定S型恒星的恒星参数和s过程元素丰度。
• 通过赫罗图中的位置和表面丰度，澄清原生与外生S型恒星的演化状态。
• 通过将观测到的Zr和Nb丰度与理论模型比较，检验AGB恒星s过程核合成的预测。
• 研究第三次对流包层（TDU）在低质量恒星中的作用，特别是Tc富集恒星V915 Aql，可能表明TDU可在低至1 M⊙的恒星中发生。
• 通过一种新的光谱拟合方法，解决T_eff、log g、C/O和[s/Fe]之间参数退化带来的大气参数确定模糊性。

提出的方法

• 采用专为S型恒星设计的新MARCS模型大气网格，覆盖T_eff、log g、[Fe/H]、C/O和[s/Fe]的范围。
• 应用自动光谱拟合方法，将观测到的高分辨率、高信噪比HERMES光谱与MARCS网格中的合成光谱进行匹配。
• 将推导出的大气参数与Gaia DR2视差结合，计算绝对星等，并将恒星定位在赫罗图中。
• 利用恒星演化模型，基于恒星的位置和推导出的参数，解释每颗恒星的演化阶段。
• 使用谱线合成和逐线分析方法计算Zr、Nb及其他s过程元素的丰度，不确定性从模型拟合中传播得出。
• 将观测到的丰度模式与不同质量、金属丰度的TP-AGB恒星的核合成预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 S型恒星中观测到的Zr和Nb丰度是否与AGB恒星s过程核合成的理论预测一致？
• RQ2 S型恒星中Tc的二分性是否反映在其他s过程元素（如Nb）的丰度上？
• RQ3 外生与原生S型恒星在赫罗图中的位置如何？这些位置与第三次对流包层开始的时间有何关联？
• RQ4 尽管存在T_eff、log g、C/O和[s/Fe]之间的退化，S型恒星的大气参数是否能被可靠确定？
• RQ5 V915 Aql中Tc的存在对AGB恒星中第三次对流包层的最低质量极限有何启示？

主要发现

• Tc富集的S型恒星V915 Aql表现出Nb贫乏的丰度特征，与正在进行的第三次对流包层一致，其位于TP-AGB附近，表明TDU可能在低至1 M⊙的恒星中发生。
• 外生S型恒星（Tc贫乏）为Nb富集，位于红巨星分支（RGB）或早期渐近巨星分支（E-AGB），表明它们是钡星的较冷对应体。
• 原生S型恒星如NQ Pup和UY Cen位于TP-AGB上，其中UY Cen位于理论TDU起始点之上，与其高s过程过量丰度和高C/O比（0.999）一致。
• 观察到清晰趋势：红外过量增加、C/O比上升、s过程过量丰度增加，与有效温度降低相关，表明恒星正逐步演化至SC型恒星阶段。
• 使用新MARCS模型网格的光谱拟合方法成功解决了参数退化问题，合成光谱与高分辨率观测光谱高度匹配，实现了可靠的丰度测定。
• 在原生和外生S型恒星中，观测到的Zr和Nb丰度与对应质量、金属丰度和演化阶段的核合成预测高度一致。