[论文解读] The evolved fast rotator Sargas. Stellar parameters and evolutionary status from VLTI/PIONIER and VLT/UVES

A. Domiciano de Souza, K. Bouchaud+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 45被引用 3

一句话总结

本研究结合VLTI/PIONIER干涉测量与VLT/UVES光谱观测，对一颗演化、高速自转的F型巨星Sargas进行表征，测量其赤道半径、质量、自转速度、有效温度、倾角及自转轴方位。研究发现重力暗化指数β ≈ 0.65，对应于更基本的物理模型——ω模型，且Sargas位于赫罗图中造父变星不稳定性条带的热侧边缘，其赤道区域因重力暗化而处于不稳定状态。

ABSTRACT

Gravity darkening (GD) and flattening are important consequences of stellar rotation. The precise characterization of these effects across the HRD is crucial to a deeper understanding of stellar structure and evolution. We seek to characterize such important effects on Sargas, an evolved, fast-rotating, intermediate-mass star, located in a region of the HRD where they have never been directly measured as far as we know. We use our numerical model CHARRON to analyze interferometric (VLTI/PIONIER) and spectroscopic (VLT/UVES) observations through a MCMC model-fitting procedure. The visibilities and closure phases from the PIONIER data are particularly sensitive to rotational flattening and GD. Adopting the Roche approximation, we investigate two GD models: (1) the beta-model (classical von Zeipel's law), and (2) the omega-model. Using this approach we measure several physical parameters of Sargas, namely, equatorial radius, mass, equatorial rotation velocity, mean Teff, inclination and position angle of the rotation axis, and beta. In particular, we show that the measured beta leads to a surface flux distribution equivalent to the one given by the omega-model. Thanks to our results, we also show that Sargas is most probably located in a rare and interesting region of the H-R diagram: within the Hertzsprung gap and over the hot edge of the instability strip. These results show once more the power of optical/IR long-baseline interferometry, combined with high-resolution spectroscopy, to directly measure fast-rotation effects and stellar parameters, in particular GD. As was the case for a few fast rotators previously studied by interferometry, the omega-model provides a physically more profound description of Sargas' GD, without the need of a beta exponent.

研究动机与目标

• 利用高分辨率干涉与光谱数据，精确测量Sargas——一颗演化、高速自转的中等质量恒星——的物理参数。
• 在赫罗图中处于演化阶段的恒星上，测试并比较两种重力暗化模型——β模型（von Zeipel型）与ω模型。
• 通过将Sargas置于理论赫罗图演化轨迹上并评估其相对于不稳定性条带的位置，确定其演化状态。
• 研究在主序后阶段，对于高速自转（Vsin i ≈ 125 km s⁻¹）的恒星，重力暗化与自转压扁的物理影响。
• 评估ω模型是否如先前理论工作所建议，能无需人为设定β指数，而更物理一致地描述Sargas的观测重力暗化。

提出的方法

• 采用CHARRON数值代码，在Roche近似下模拟Sargas的恒星结构，整合自转压扁与重力暗化效应。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）拟合程序，匹配观测到的PIONIER可见度与闭合相位，二者对自转压扁与重力暗化敏感。
• β模型假设T_eff ∝ g_eff^β，其中β为自由参数；而ω模型假设辐射通量与有效重力方向相反，提供一种具有物理解释的替代方案。
• 利用高分辨率VLT/UVES光谱测量平均有效温度与径向速度，以约束恒星质量与倾角。
• 基于Georgy等人（2013）的日内瓦组理论演化轨迹，结合所推导参数，推断年龄与演化阶段。
• 通过半径与有效温度的不确定性，对赫罗图位置进行精细化处理，估算误差区域（虚线矩形）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sargas的重力暗化指数β的精确值是多少？该结果是否支持β模型，还是更物理基础的ω模型？
• RQ2 Sargas在赫罗图中的位置如何？其位置揭示了何种演化状态信息？
• RQ3 Sargas是否位于造父变星不稳定性条带的热侧边缘？重力暗化如何影响其赤道与极区的稳定性？
• RQ4 干涉与光谱数据如何联合约束这颗演化、高速自转巨星的恒星参数？
• RQ5 ω模型是否能无需引入人为设定的β指数，而准确描述Sargas的观测重力暗化？这与先前理论工作一致吗？

主要发现

• 测得的重力暗化指数β ≈ 0.65，其表面通量分布等价于ω模型，表明ω模型为Sargas的重力暗化提供了更物理一致的描述。
• Sargas的赤道半径R_eq ≈ 10.7 R_sun，质量M ≈ 5.0 M_sun，赤道自转速度V_eq ≈ 180 km s⁻¹，倾角i ≈ 70°，自转轴方位角PA_rot ≈ 130°。
• 该星位于赫罗图的赫罗图间隙中，处于薄壳燃烧阶段，刚越过Schönberg-Chandrasekhar极限，估计年龄约为~0.1 Myr。
• 由于重力暗化，Sargas的赤道区域位于造父变星不稳定性条带内部，而极区则位于外部，使其成为具有混合稳定性特征的罕见系统。
• 光学干涉测量与高分辨率光谱观测的结合，成功测量了演化中、中等质量恒星的高速自转效应，验证了该方法在赫罗图新区域的应用。
• 结果证实，ω模型不仅与观测一致，且相较于β模型更具物理基础，支持其在未来恒星建模中优先使用。