[论文解读] The Tarantula Massive Binary Monitoring: III. Atmosphere analysis of double-lined spectroscopic systems

L. Mahy, H. Sana+18 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Dec 14, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用 11

一句话总结

本研究利用光谱解离和CMFGEN大气模型，分析了30 Doradus区域中31个双线光谱双星，以获得恒星参数和表面丰度。研究发现，潮汐混合对氮元素富集的影响有限，而半相接系统中的质量转移则显著改变了表面丰度并导致恒星‘重生’，双星产物可能解释了N–v sin i图中未被单星模型重现的异常星族。

ABSTRACT

Accurate stellar parameters of individual objects in binary systems are essential to constrain the effects of binarity on stellar evolution. These parameters serve as a prerequisite to probing existing and future theoretical evolutionary models. We aim to derive the atmospheric parameters of the 31 SB2s in the TMBM sample. This sample, composed of detached, semi-detached and contact systems with at least one of the components classified as an O star, is an excellent test-bed to study how binarity can impact our knowledge of the evolution of massive stars. 32 epochs of FLAMES/GIRAFFE spectra are analysed using spectral disentangling to construct the individual spectra of 62 components. We apply the CMFGEN atmosphere code to determine their stellar parameters and their He, C and N surface abundances. From these properties, we show that the effects of tides on chemical mixing are limited. Components on longer-period orbits show higher nitrogen enrichment at their surface than those on shorter-period orbits, in contrast to expectations of rotational or tidal mixing, implying that other mechanisms play a role in this process. Components filling their Roche lobe are mass donors. They exhibit higher nitrogen content at their surface and rotate more slowly than their companions. By accreting new material, their companions spin faster and are rejuvenated. Their locations in the N-vsini diagram tend to show that binary products are good candidates to populate the two groups of stars (slowly rotating, nitrogen-enriched and rapidly rotating non-enriched) that cannot be reproduced through single-star population synthesis. This sample is the largest sample of binaries to be studied in such a homogeneous way. The study of these objects gives us strong observational constraints to test theoretical binary evolutionary tracks.

研究动机与目标

• 确定Tarantula大质量双星监测样本中大质量双星系统各组分的准确大气参数和表面丰度（He、C、N）。
• 评估双星性——特别是潮汐力和质量转移——对恒星演化的影响，尤其是化学混合和表面成分的变化。
• 检验双星演化是否能解释单星演化模型无法重现的N–v sin i图中观测到的星族分布。
• 根据演化阶段（分离、半相接、相接）对系统进行分类，并将其特性与观测到的丰度和旋转趋势相关联。
• 利用一个同质且大规模的O型双星样本，为理论双星演化轨道提供观测约束。

提出的方法

• 获取了31个双线光谱双星在30 Doradus区域的32个历元FLAMES/GIRAFFE光谱。
• 应用光谱解离技术，从混合观测光谱中重建各组分的个体光谱。
• 使用CMFGEN大气模型代码，为全部62个组分推导恒星参数（Teff、log g、v sin i、光度）和表面丰度（He、C、N）。
• 基于轨道特性与洛希瓣填充因子，对系统进行分类，以区分分离、半相接和相接构型。
• 分析旋转速度与氮表面丰度与轨道周期及演化阶段的关系，以评估潮汐和质量转移的影响。
• 将N–v sin i图中观测到的分布与单星群体合成模型的预期分布进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量双星系统中，潮汐力对表面氮富集的影响程度如何，相较于自转或质量转移效应？
• RQ2 在半相接系统中，质量流失星与质量获得星的表面丰度（尤其是氮）有何差异？
• RQ3 N–v sin i图中观测到的恒星分布是否可由双星演化解释，特别是对缓慢旋转但氮富集的恒星，以及快速旋转但未富集的恒星？
• RQ4 （过）相接系统是否表现出与强潮汐混合一致的特殊表面丰度，如演化模型所预测？
• RQ5 双星组分的推导年龄与同一区域单星的年龄相比如何？这对30 Doradus星团的形成历史有何启示？

主要发现

• 在31个系统中，58%至77%被分类为分离系统，可能为未发生相互作用的双星，16%为半相接系统，5%至26%处于或接近相接阶段。
• 分离系统中，氮表面丰度与单星演化一致，但VFTS 197和VFTS 527除外，其强烈的恒星风可能驱动了观测到的氮富集。
• 在分离系统中，潮汐效应对旋转速度的影响比对氮富集的影响更显著，表明潮汐混合对化学成分的影响有限。
• 在半相接系统中，质量流失星表现出更高的氮表面丰度和更慢的旋转速度，与化学处理物质暴露的预期一致。
• 半相接系统中的质量获得星表现出更高的旋转速度和‘重生’迹象，表明其可能因吸积而被加速旋转。
• 双星组分在N–v sin i图中的位置表明，双星产物是填充两个未解释星族的强有力候选者——即缓慢旋转但氮富集的恒星，以及快速旋转但未富集的恒星——这些星族无法被单星群体合成模型重现。