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大质量星团附近的孤立超大质量恒星

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标题:The VLT-FLAMES Tarantula Survey III: A very massive star in apparent isolation from the massive cluster R136
作者:Joachim M. Bestenlehner, Jorick S. Vink, G. Gräfener, F. Najarro, C. J. Evans, N. Bastian, A. Z. Bonanos, E. Bressert, P. A. Crowther, E. Doran, K. Friedrich, V. Hénault-Brunet, A. Herrero, A. de Koter, N. Langer, D. J. Lennon, J. Maíz Apellániz, H. Sana, I. Soszynski, W. D. Taylor
论文索引:astro-ph:1105.1775
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

为什么要研究超大质量恒星?

呃,虽然天文学中所有这样的问题都可以用“因为它存在”来回答,不过这里我们还是稍微的解释一下;大质量恒星一般指的是大于8个太阳质量的恒星,而本文讨论的超大质量恒星一般的质量都大于50,甚至100个太阳质量,这些恒星本身的形成和演化是现在恒星物理中一个非常重要的问题:对于形成过程,在恒星形成的理论和模拟研究中,随着恒星被“点燃”,施加在周围尘埃上的辐射压会停止吸积过程,阻止恒星质量进一步的增加,而大质量恒星的存在无疑给这种图象提出了挑战。目前有人提出竞争吸积,甚至是密集恒星形成环境下的并合过程会起很重要的作用 (参考: Bonnell et al. 2004),但最近的数值模拟现实,似乎超大质量恒星还是可以通过塌缩-吸积的过程形成的 (参考: Kuiper et al. 2010)。除了这些,超大质量恒星的形成对与研究恒星形成和环境的关系,以及初始质量函数在高质量端的性质都有重要的意义。

根据恒星演化的“Live Fast, Die Young”原则,大质量恒星的演化会非常的快速,在百万年,甚至更短的时标内,恒星演化就会接近终点;恒星演化中的质量损失和死亡时的过程可以释放大量的重元素和能量进入星际空间,可以起到增丰星际介质和调节恒星形成的作用;此外,超大质量恒星的最终死亡方式也是研究的一大热点,一般认为这样的恒星会以核塌缩超新星的形式死亡,形成黑洞,而且还可应该与长伽马暴有联系。但目前的研究还揭示出了一定的不确定性,比如这些恒星是否有可能不经过超新星过程而直接塌缩为黑洞,如果以超新星形式爆发,可见光波段的辐射可不可能因为外包层产生的强烈的尘埃消光而不能被我们观测到?这些问题又可以和观测的超新星爆发率与理论预测的差别联系起来。总之,从恒星形成理论,星际介质演化,到超新星和伽马暴研究中,超大质量恒星演化都有其重要的作用。


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Fig.1: 大麦哲伦星云中美丽的狼蛛星云。图片来自Wikipedia

什么是沃尔夫-拉叶星和亮蓝变星?

沃尔夫-拉叶星 (Wolf–Rayet star,WR星): 初始质量大于20个太阳质量的恒星,其代表特征是有显著的星风和质量损失,其星风的最高速度可以达到2000km/s,质量损失可以达到每年10万分之一太阳质量,听上去似乎很小,但这个值是太阳质量损失的10亿倍。这类恒星最早于1867年有两位天文学家Wolf和Rayet在天鹅座中发现,因而以他们的名字命名。其最主要的观测特征是一系列的宽发射线,其中包括显著的He线,和来自C, N和O的金属发射线,根据相对强度不同,又分成WC(C线更强,名字比较抱歉…)和WN(N,O线强)两类,这两个子类之间可能存在演化关系,因为WN星的富N包层来自H的CNO循环过程,而WC星中的富C包层则来自He燃烧。WR星在茫茫星海中属于非常稀有的品种,目前银河系以及非常邻近的星系中仔细研究过的也不算很多,多数都位于大质量的恒星形成区中;稍微提一句的是,在河外星暴星系的整体光谱中,有时也可以看到类似WR星的光谱,这证明大质量星暴产生的少量的WR星可以对星系光谱产生很强的影响,有些文献中也将其称为WR星系;另外,在AGN刚刚发现的时间里,还有人尝试用核区星暴产生的WR星来解释AGN中的宽线。


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Fig.2: 本文观测对象和附近的大质量星团R136的相对位置

亮蓝变星 (Luminous blue variable,LBV星): 以大麦云中最亮恒星,剑鱼座S为代表的一类极其稀少的大质量恒星,其光度可以达到百万太阳光度,而质量可以超过150个太阳质量,也是以显著的星风和质量损失为特征。这类恒星和前面提到的WR星之间可能存在演化关系,在某个质量段,LBV可能演化成为WR星。

观测与结论


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Fig.3: 观测光谱,可以看到很强的He和N的发射宽线。黑色虚线为模型拟合结果。

本文是ESO主导的The VLT-FLAMES Tarantula Survey的一个结果,以快报的形式介绍了LMC中著名的狼蛛星云中一个大质量星团R136旁边29pc处的一颗相对孤立的超大质量恒星的光谱和测光观测。狼蛛星云是南天天文爱好者和专业天文学家共同的兴趣所在,不过对于天文学家,这个星云的另一个名字:剑鱼座30 (30 Dor)可能更为响亮,这个超大质量的恒星形成区包含着大量的有趣天体,其中R136就是一个著名的大质量星团,在其中已经发现了质量接近300个太阳质量的恒星 (参考: Crowther et al. 2010)。而本文讨论的这颗恒星:VFTS 682,在早期的Spitzer巡天中曾被分类为YSO(Young Stellar Object),但是在后来又被分类为WR星。

本文的观测利用ESO的VLT UT2望远镜上的FLAMES多目标光谱仪进行,光谱覆盖4000-7000埃,有效的覆盖了WR星特征光谱中大量的发射线。本文的主要工作是利用非局部热动平衡的恒星大气模型对观测光谱进行拟合,求得一系列重要的恒星基本物理参数;并结合近红外和中红外的数据对恒星的SED进行研究,对恒星的消光性质等进行研究。下表中简单的总结了恒星的光度,质量,有效温度和丰度性质的估计,可以看到这是一颗光度超过百万太阳光度的超级恒星。表中的beta参数为描述星风速度经验定律中的一个参数,f是星风的体积覆盖因子。


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Fig.4: 恒星主要的物理参数

除了这些基本参数外,本文得到值得注意的结论还有:

  • 1. 利用较高分辨率的光谱排除了双星系统的可能,在超大质量恒星的研究中,排除双星和多星系统的污染是很重要的
  • 2. 利用SED和颜色信息,发现这颗星的消光参数(R_V=4.7)和银河系核球方向的消光参数很不一样,但对LMC并不算非常特殊
  • 3. 通过对消光的了解,可以自然的解释在红外波段观测到的光度excess,基本上就是说恒星周围有一个延展的星周包层
  • 4. 这颗恒星还位于OGLE巡天的视场内,因而有光变的数据可以研究,通过光变信息和这颗星的光度,似乎显示出这颗恒星更应该被分类为LBV星
  • 关于这颗恒星的起源,文章还做了具体的讨论,不过简单说来无非是两种可能,1): 在现在的位置“本地”形成(in situ star formation); 2): 形成于邻近的大质量星团,因为某种过程逃逸出来(runaway star)。无论哪种可能,都是非常有意思的结果:如果是逃逸的恒星,意味着这颗恒星是目前发现最大质量的逃逸恒星,但在观测上还需要通过速度精确测量和寻找逃逸产生的弓激波来证明;如果是本地的恒星形成,则意味着在并不是很致密的环境中,也可以形成超大质量恒星,这无疑是一个新的挑战。

    延伸阅读

  • 1. 目前已知的大质量和超大质量恒星列表
  • 2. 关于大质量恒星形成的两篇理论和模拟工作的介绍
  • 3. Astrobites上关于大质量恒星光变的介绍
  • 4. ESO关于LMC中另一颗WR星的观测图象
  • 5. HD168625:一个著名的LBV的Spitzer观测
  • 6. 文中使用的非局部热动平衡恒星大气模型CHORIZOS的介绍, 模型本身见这里
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    讨论

    5 thoughts on “大质量星团附近的孤立超大质量恒星

    1. 做模拟的里面,有似乎是针锋相对的两组:一边是Bonnell, 他们用SPH;一边是McKee, 他们用HD。争来争去不知道现在结果如何… 当然,里面各自的大牛还有很多,这里只是抓了两个名字。上个月还看到一篇Krumholz琢磨大质量恒星的辐射反馈对星团整体的恒星形成有什么影响: http://arxiv.org/abs/1104.2038, 没看懂具体模型,大概意思是大质量恒星的辐射”加热”了星团里的气体,阻止它们进一步塌缩形成小质量恒星。他是McKee那边的。上上个月看到的Bonnell的模拟一个很有趣的结果是: 大质量恒星形成过程中的bubble状的东西,可以是动力学演化的结果,而不是神马中心星团的能量反馈trigger周围恒星形成blabla… (http://arxiv.org/abs/1103.1532). 有点儿像宇宙学模拟里面的纤维结构,不知道有谁留个评论?

      Posted by sunway | 五月 12, 2011, 8:12 下午
    2. WN: He dominated; WC: C,O dominated. 后面还有一个WO. 一般认为这是一个演化序列: O->Of->WNL->WNE->WC(->WO), 对竞争吸积不解:现在问题是大质量恒星没胃口,给它加个竞争者,该吃不下去还是吃不下去呀… 我倒是更愿意相信非球对称吸积比较有效。

      Posted by sunway | 五月 12, 2011, 7:51 下午
    3. 理论上, lamost可以做类似的东西么?

      Posted by ZhiyuZhang | 五月 12, 2011, 7:01 上午
      • 我个人认为不行,LAMOST光纤孔径太大了,加上兴隆有时候比较可怕的2“seeing,对这种几乎”嵌入“在星云里的源,confusion似乎太大了

        Posted by Song Huang | 五月 12, 2011, 9:55 上午
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