[论文解读] The VLT-FLAMES Tarantula Survey. XXIII: two massive double-lined binaries in 30~Doradus

Ian D. Howarth, P. L. Dufton+10 more|Open Research Online (The Open University)|Aug 24, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用 6

一句话总结

本研究对大麦哲伦云中剑鱼座30区内的两个大质量双线光谱双星系统VFTS 450和VFTS 652进行了光谱和测光分析。通过径向速度曲线和模型大气拟合，识别出主星为质量较小、充满洛希瓣的恒星，且具有显著的氮元素富集；然而，光谱参数与测光数据之间存在不一致，表明次星光谱可能被吸积盘遮蔽，暗示这些大质量阿尔古拉型系统中存在A型质量转移，通过修正通量比和温度，可使观测结果与演化模型相一致。

ABSTRACT

We investigate the characteristics of two newly discovered short-period, double-lined, massive binary systems, VFTS 450 (O9.7$\;$II--Ib$\,$+$\,$O7::) and VFTS 652 (B1$\;$Ib$\,+\,$O9:$\;$III:). We perform model-atmosphere analyses to characterise the photospheric properties of both members of each binary (denoting the `primary' as the spectroscopically more conspicuous component). Radial velocities and optical photometry are used to estimate the binary-system parameters. We estimate $T_{ m eff}=27$ kK, $\log{(g)}=2.9$ (cgs) for the VFTS 450 primary spectrum (34kK, 3.6: for the secondary spectrum); and $T_{ m eff} = 22$kK, $\log{(g)}=2.8$ for the VFTS 652 primary spectrum (35kK, 3.7: for the secondary spectrum). Both primaries show surface nitrogen enrichments (of more than 1 dex for VFTS 652), and probable moderate oxygen depletions relative to reference LMC abundances. We determine orbital periods of 6.89d and 8.59d for VFTS 450 and VFTS 652, respectively, and argue that the primaries must be close to filling their Roche lobes. Supposing this to be the case, we estimate component masses in the range $\sim$20--50M$_\odot$. The secondary spectra are associated with the more massive components, suggesting that both systems are high-mass analogues of classical Algol systems, undergoing case-A mass transfer. Difficulties in reconciling the spectroscopic analyses with the light-curves and with evolutionary considerations suggest that the secondary spectra are contaminated by (or arise in) accretion disks.

研究动机与目标

• 表征在剑鱼座30区新发现的两个大质量双线光谱双星VFTS 450和VFTS 652的基本参数。
• 解决这些系统中光谱测得的参数与测光/演化约束之间存在的差异。
• 研究次星的本质，特别是其光谱是否受到周围物质或吸积盘的污染。
• 确定轨道解并评估这些大质量双星系统中洛希瓣溢出和A型质量转移的可能性。
• 通过合理调整次星参数，使观测到的通量比和有效温度与演化模型相一致。

提出的方法

• 使用VLT-FLAMES和UVES仪器进行多历元光谱观测，测量径向速度并推导轨道解。
• 应用模型大气分析，从光学吸收线中推导出有效温度（$T_{\mathrm{eff}}$）、表面重力（$\log{g}$）和表面丰度。
• 利用光学和近红外测光（来自IRSF和Spitzer SAGE）确定绝对星等和亮度比（$\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$）。
• 构建简单双星模型，假设主星充满其洛希瓣，并利用轨道参数（周期、速度半振幅）估算各组分质量。
• 通过改变次星有效温度和通量比，检验光谱参数与测光及演化理论的一致性，识别参数空间中的“合理区域”。
• 通过探索更高的$\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$和更高的$T_{\mathrm{eff}}$（2）值，评估吸积盘可能引起的遮蔽效应，以使观测到的光度与质量估计相一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 VFTS 450和VFTS 652中次星的光谱测得参数是否与其观测到的测光亮度和演化状态一致？
• RQ2 VFTS 450和VFTS 652的轨道周期和质量比是多少？它们是否支持洛希瓣溢出和A型质量转移？
• RQ3 为何光谱推断的次星参数与测光和演化约束存在不一致？
• RQ4 通过合理调整次星通量比或有效温度，能否解决光谱数据与观测系统光度之间的差异？
• RQ5 次星光谱被周围物质或吸积盘污染是否是解释观测不一致的合理解释？

主要发现

• VFTS 450的轨道周期为6.89天，VFTS 652为8.59天，两个系统均表现出显著的径向速度振幅。
• VFTS 450的主星有效温度为$T_{\mathrm{eff}} = 27$ kK，$\log{g} = 2.9$（cgs）；其次星为$T_{\mathrm{eff}} = 34$ kK，$\log{g} = 3.6$；VFTS 652的主星为$T_{\mathrm{eff}} = 22$ kK，$\log{g} = 2.8$；次星为$T_{\mathrm{eff}} = 35$ kK，$\log{g} = 3.7$。
• 两个主星的表面氮元素富集均超过1 dex，且VFTS 652还表现出相对于LMC参考丰度的可能氧元素耗竭。
• 次星光谱可能被吸积盘污染，表现为光谱参数与测光约束之间的不一致，需提高通量比（$\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$）或提高有效温度才能实现一致。
• 建模表明，通过合理调整$\mathcal{F}_{2}/\mathcal{F}_{1}$和$T_{\mathrm{eff}}$（2）可使观测到的系统特性与演化模型相一致，暗示次星的实际尺寸可能比仅从光谱推断的更大，且更接近充满其洛希瓣的状态。
• 这些系统被解释为经典阿尔古拉型系统的高质量对应体，正处于A型质量转移阶段，而光谱上更明显的组分实为质量较小的恒星，与初始假设相反。