[论文解读] The pre- versus post-main sequence evolutionary phase of B[e] stars: Constraints from 13CO band emission

M. Kraus|ArXiv.org|Jan 6, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 58被引用 33

一句话总结

本文提出利用K波段光谱中的13CO吸收带发射作为区分B[e]星前主序与后主序演化阶段的诊断工具，其依据是后主序演化会使12C/13C比值降至约20以下。在光谱分辨率R ~ 1500–3000时可检测到13CO发射，为演化状态提供稳健指标，尤其适用于距离不确定且星面被遮蔽的恒星。

ABSTRACT

Many galactic B[e] stars suffer from improper distance determinations, which make it difficult to distinguish between a pre- and post-main sequence evolutionary phase on the basis of luminosity arguments. In addition, these stars have opaque circumstellar material, obscuring the central star, so that no detailed surface abundance studies can be performed. We propose a different indicator for the supergiant status of a B[e] star, based on the enrichment of its circumstellar matter by 13C, and detectable via its 13CO band emission in the K band spectra. Based on stellar evolution models, we calculate the variation of the 12C/13C isotopic surface abundance ratio during the evolution of non-rotating stars with different initial masses. For different values of the 12C/13C ratio we then compute synthetic first-overtone vibration-rotational band spectra from both the 12CO and 13CO molecule at different spectral resolutions. We further discuss the influence of stellar rotation on the variation of the surface 12C/13C ratio. The surface 12C/13C isotope ratio is found to decrease strongly during the post-main sequence evolution of non-rotating stars, from its interstellar value of about 70 to a value of about 15-20 for stars with initial masses higher than 7 M_sun, and to a value of less than 5 for stars with initial masses higher than 25 M_sun. We find that detectable 13CO band head emission is produced for isotope ratios 12C/13C < 20, and can most easily be detected with a spectral resolution of R ~ 1500...3000. For the rotating stellar models, the drop in 12C/13C already occurs for all stars with M > 9 M_sun during the main-sequence evolution. The detection of 13CO band head emission in such mid-resolution K band spectra of a B[e] star thus favours an evolved rather than a young nature of the object.

研究动机与目标

• 解决由于距离和光度估计不确定，导致难以将B[e]星分类为前主序或后主序的问题。
• 克服星面被遮蔽导致无法对B[e]星进行直接表面丰度分析的局限性。
• 基于包周物质中的同位素富集，特别是13CO吸收带中的13C，开发一种替代的演化阶段指示器。
• 提出一种利用可检测的13CO发射作为演化状态代理，对未分类B[e]星进行分类的方法。
• 评估恒星自转对12C/13C比值及13CO可检测性的影响，以提高分类可靠性。

提出的方法

• 通过非旋转和旋转恒星演化模型，计算表面12C/13C同位素比值随初始质量与演化阶段的变化。
• 利用恒星演化模型预测：在后主序演化过程中，12C/13C比值从星际值（~70）下降至>7 M⊙恒星的~15–20，而>25 M⊙恒星则降至<5。
• 在不同光谱分辨率（R ~ 1500–3000）下，合成12CO与13CO的一级倍频振动-转动吸收带光谱，以模拟可观测的K波段特征。
• 基于12C/13C比值评估13CO吸收带峰发射的可检测阈值，发现当比值降至~20以下时，13CO发射变得可检测。
• 评估恒星自转对12C/13C比值演化的影响，表明在旋转模型中，比值在主序阶段即从M_in > 9 M⊙起开始下降。
• 将模型预测与已知B[e]超巨星（如GG Car、CPD-57 2874）中观测到的13CO检测结果进行比较，以验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 K波段光谱中的13CO吸收带发射能否作为B[e]星演化阶段的可靠指标？
• RQ2 在中等分辨率K波段光谱中，12C/13C比值降至何值时，13CO吸收带发射可被检测到？
• RQ3 恒星自转如何影响12C/13C表面比值的演化及13CO吸收带的可检测性？
• RQ4 13CO发射在多大程度上可解决将未分类B[e]星归类为前主序或后主序的模糊性？
• RQ5 GG Car和CPD-57 2874等恒星中观测到的13CO检测结果与模型预测相比如何？其对光度或初始自转速度有何启示？

主要发现

• 后主序阶段中，初始质量>7 M⊙的恒星表面12C/13C比值从~70（星际值）下降至~15–20，而初始质量>25 M⊙的恒星则降至<5。
• 当12C/13C比值降至~20以下时，13CO吸收带峰发射变得可检测，表明恒星处于演化阶段。
• 检测13CO吸收带的最佳光谱分辨率为R ~ 1500–3000，可在信号强度与光谱细节之间取得平衡。
• 对于旋转恒星，初始质量>9 M⊙的恒星在主序阶段即已使12C/13C比值降至20以下，从而可更早检测到13CO发射。
• GG Car中检测到13CO发射与其中B[e]超巨星的分类一致，但观测到的吸收带强度与模型预测不符，暗示其光度/质量可能被低估，或初始自转高于假设值。
• CPD-57 2874及其他B[e]星中存在13CO发射的初步检测结果，支持该方法在将未分类B[e]星识别为演化后的超巨星方面的潜力。