[论文解读] Three-Dimensional Distributions of Type II Cepheids and Anomalous Cepheids in the Magellanic Clouds. Do these Stars Belong to the Old, Young or Intermediate-Age Population?

Patryk Iwanek, I. Soszyński+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 7

一句话总结

本研究利用OGLE巡天数据，分析了大、小麦哲伦云中II型造父变星和异常造父变星的三维空间分布，以确定其恒星族年龄。通过应用三维Kolmogorov-Smirnov检验，发现BL Her星与RR Lyrae星一样古老，W Vir星是古老与中等年龄恒星的混合体，而异常造父变星可能源于双星并合，而非单星演化。

ABSTRACT

The nature of type II Cepheids and anomalous Cepheids is still not well known and their evolutionary channels leave many unanswered questions. We use complete collection of classical pulsating stars in the Magellanic Clouds discovered by the OGLE project, to compare their spatial distributions, which are one of the characteristic features directly related to the star formation history. In this analysis we use 9649 classical Cepheids, 262 anomalous Cepheids, 338 type II Cepheids and 46 443 RR Lyr stars from both Magellanic Clouds. We compute three-dimensional Kolmogorov-Smirnov tests for every possible pair of type II and anomalous Cepheids with classical Cepheids, and RR Lyr stars. We confirm that BL Her stars are as old as RR Lyr variable stars - their spatial distributions are similar, and they create a vast halo around both galaxies. We discover that spatial distribution of W Vir stars has attributes characteristic for both young and old stellar populations. Hence, it seems that these similarities are related to the concentration of these stars in the center of the Large Magellanic Cloud, and the lack of a vast halo. This leads to the conclusion that W Vir variables could be a mixture of old and intermediate-age stars. Our analysis of the three-dimensional distributions of anomalous Cepheids shows that they differ significantly from classical Cepheids. Statistical tests of anomalous Cepheids distributions with RR Lyr distributions do not give unambiguous results. We consider that these two distributions can be similar through the vast halos they create. This similarity would confirm anomalous Cepheids evolution scenario that assumes coalescence of a binary system.

研究动机与目标

• 确定大、小麦哲伦云中的II型造父变星和异常造父变星属于古老、年轻还是中等年龄的恒星族。
• 解决关于W Vir星和异常造父变星演化路径的长期不确定性。
• 将空间分布模式用作恒星形成历史和族群年龄的代理指标。
• 检验经典演化模型对第二星族脉动星的适用性，并与观测到的三维分布进行对比。
• 评估异常造父变星是否与RR Lyrae星具有相似的运动学和空间特征，从而暗示其共同起源。

提出的方法

• 利用OGLE-IV巡天在大、小麦哲伦云中获得的完整样本，包括9,649颗经典造父变星、262颗异常造父变星、338颗II型造父变星和46,443颗RR Lyrae星。
• 应用三维Kolmogorov-Smirnov（3D-KS）统计检验，比较不同脉动星类型之间的空间分布。
• 对异常造父变星与经典造父变星之间、以及异常造父变星与RR Lyrae星之间进行成对的3D-KS检验。
• 采用晕层切割过滤方法，分离出扩展的空间结构，并评估其大尺度分布模式的相似性。
• 在R语言中实施多维统计检验，并结合专家咨询以确保实现与解释的准确性。
• 通过与已知的星团成员关系（如LMC球状星团）及恒星质量估算交叉验证，推断年龄与演化路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 大、小麦哲伦云中II型造父变星和异常造父变星的空间分布是否与古老、年轻或中等年龄恒星族一致？
• RQ2 W Vir星的空间分布是否与单一年龄恒星族一致，还是表明其为古老与中等年龄恒星的混合体？
• RQ3 异常造父变星是否与RR Lyrae星具有相似的三维空间分布，从而暗示其共同的演化起源？
• RQ4 异常造父变星的观测空间模式能否由单星演化解释，还是需要双星并合机制？
• RQ5 这些脉动星在LMC与SMC中的三维空间分布有何异同，这对恒星族结构有何启示？

主要发现

• BL Her星的空间分布与RR Lyrae星在统计上无法区分，证实其属于古老恒星族，并在两个麦哲伦云周围均具有巨大的晕状结构。
• W Vir星表现出双重空间特征：在LMC和SMC的中心区域集中，且无显著晕状结构，表明其为古老与中等年龄恒星的混合体。
• 异常造父变星的三维空间分布与经典造父变星显著不同，表明其具有截然不同的演化起源。
• 统计检验显示，异常造父变星与RR Lyrae星在SMC中具有相似的空间分布，特别是其扩展晕状结构，支持其通过双星并合形成。
• 在LMC中，异常造父变星与RR Lyrae星之间缺乏明确的统计匹配，但两者均存在巨大晕状结构，这支持双星并合而非单星演化的解释。
• 本研究挑战了经典的Gingold（1976）演化模型，因为BL Her星与W Vir星的空间分布并不完全相同，且现代计算中未再现W Vir星的蓝端回路。