[论文解读] The VLT-FLAMES Tarantula Survey XXI. Stellar spin rates of O-type spectroscopic binaries

O. H. Ramírez-Agudelo, H. Sana+10 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jul 8, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 56被引用 43

一句话总结

本研究利用VLT-FLAMES数据，分析了30 Doradus区域中114颗O型双星的投影旋转速度（vₑsin i），以探究双星关系如何影响恒星自转速率。结果表明，双星系统表现出更宽、略快的主峰，且缺乏单星中常见的高速尾部，暗示单星中的快速自转者很可能是双星相互作用后的产物，而近距离双星中的潮汐同步则解释了短周期系统中较高的自转速率。

ABSTRACT

The initial distribution of spin rates of massive stars is a fingerprint of their elusive formation process. It also sets a key initial condition for stellar evolution and is thus an important ingredient in stellar population synthesis. So far, most studies have focused on single stars. Most O stars are however found in multiple systems. By establishing the spin-rate distribution of a sizeable sample of O-type spectroscopic binaries and by comparing the distributions of binary sub-populations with one another as well as with that of presumed single stars in the same region, we aim to constrain the initial spin distribution of O stars in binaries, and to identify signatures of the physical mechanisms that affect the evolution of the massive stars spin rates. We use ground-based optical spectroscopy obtained in the framework of the VLT-FLAMES Tarantula Survey (VFTS) to establish the projected equatorial rotational velocities (\vrot) for components of 114 spectroscopic binaries in 30 Doradus. The \vrot\ values are derived from the full-width at half-maximum (FWHM) of a set of spectral lines, using a FWHM vs. \vrot\ calibration that we derive based on previous line analysis methods applied to single O-type stars in the VFTS sample. The overall \vrot\ distribution of the primary stars resembles that of single O-type stars in the VFTS, featuring a low-velocity peak (at $\vrot < 200$ kms) and a shoulder at intermediate velocities ($200 < \vrot < 300$ kms). The distributions of binaries and single stars however differ in two ways. First, the main peak at $\vrot \sim$100 kms is broader and slightly shifted toward higher spin rates in the binary distribution compared to that of the presumed-single stars. Second, the \vrot distribution of primaries lacks a significant population of stars spinning faster than 300 kms while such a population is clearly present in the single star sample.

研究动机与目标

• 确定大质量O型恒星在双星系统中的初始自转速率分布，尽管其对恒星演化模型至关重要，但目前仍缺乏足够约束。
• 将O型光谱双星的自转速率分布与同一区域中假设为单星的恒星进行比较，以识别形成与演化特征。
• 评估潮汐相互作用、磁制动或双星相互作用后过程对观测到的自转速率分布的影响。
• 检验大质量恒星是否无论处于单星或双星系统中，均具有相似的初始自转速率分布。
• 探究轨道周期与质量比在通过潮汐同步与角动量转移决定旋转速度中的作用。

提出的方法

• 利用VLT-FLAMES Tarantula巡天的高分辨率光学光谱，测量了114颗O型光谱双星成分的投影赤道旋转速度（vₑsin i）。
• 应用从同一巡天中单个O型恒星获得的FWHM-to-vₑsin i校准关系，通过谱线展宽推断旋转速度。
• 根据轨道周期和径向速度振幅（ΔRV）对双星进行分类，使用ΔRV作为轨道周期的代理，以区分短周期（P < 10 d）与长周期系统。
• 将双星中主星的vₑsin i分布与假设单星的分布以及双星子群（如SB2、宽距与密近系统）的分布进行比较。
• 利用潮汐同步 timescales 评估观测到的自转速率是否与密近双星中的潮汐锁定一致。
• 通过比较具有强径向速度变化与无强变化的系统之间的自转分布，评估磁制动的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 O型双星的自转速率分布是否与同一区域中假设为单星的O型恒星不同？
• RQ2 双星系统中缺乏高速自转者（vₑsin i > 300 km s⁻¹）是否与单星中此类快速自转者为双星相互作用后产物的假设一致？
• RQ3 短周期双星中的潮汐相互作用在多大程度上解释了这些系统中观测到的较高平均自转速率？
• RQ4 轨道周期短的SB2系统中，主星与次星的旋转速度是否表现出潮汐锁定的证据？
• RQ5 大质量恒星的初始自转速率分布是否独立于双星形成过程，还是显著受双星相互作用影响？

主要发现

• O型双星星主星的vₑsin i分布与单星相似，主峰位于200 km s⁻¹以下，200–300 km s⁻¹之间有肩峰。
• 与单星分布相比，双星分布的主峰更宽且向更高自转速率偏移（中心约100 km s⁻¹），尤其在短周期双星（P_orb < 10 d）中更为明显。
• 双星系统中缺乏显著的vₑsin i > 300 km s⁻¹的恒星，而此类恒星在假设单星样本中则明显存在。
• 径向速度振幅在20至200 km s⁻¹之间的双星（多为P_orb ~10–1000 d和/或q < 0.5）的vₑsin i分布与单星在170 km s⁻¹以下的分布相似。
• 在P_orb < 10 d的SB2系统中，主星与次星的vₑsin i值在统计上无显著差异，支持具有相近半径的密近双星中存在潮汐锁定。
• 双星中缺乏快速自转者支持了以下假设：单星样本中高速自转者很可能是双星相互作用后被加速的产物，而非原初快速自转者。