Araucaria Project:食变双星系统中经典造父变星精确动力学质量的测量

(从网站的浏览量上来看,一鸣同学的大作受到了相当的关注啊,果然,每次涉及宇宙学的文章都会带来这样的效果,魅力啊。。不过关于距离尺度测量这个天体物理的中心话题,我个人更喜欢的是对临近星系中各种测量工具的校准工作,本文的主角是宇宙距离尺度测量中的一线明星:经典造父变星,文章的题目很长,长到几乎不用再介绍文章了。。。。。)

文章:The Araucaria Project. Accurate determination of the dynamical mass of the classical Cepheid in the eclipsing system OGLE-LMC-CEP-1812

  • 作者:G. Pietrzynski, I. Thompson, D. Graczyk., W. Gieren, B. Pilecki, A. Udalski, I. Soszynski, G. Bono, P. Konorski, N. Nardetto, J. Storm
  • 论文索引:astro-ph/1109.5414
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识

造父变星周光关系的发现何等重要,对宇宙学意义如何,昨天一鸣同学的文章已经说明了问题,作为天文学家测量宇宙尺度的第二级阶梯,其定标,校准都是极其关键的,然而很尴尬的一个问题是,虽然造父变星的样本日益扩大,了解也随之加深,但是从造父变星在恒星赫罗图上的演化轨迹给出的质量总是比按照其脉动周期,模式,根据已有的恒星脉动模型得出的质量要高出20%,这就是困扰了天文学家40多年的“Cepheid mass discrepancy problem”,关于这个问题的来龙去脉,大家可以参考文章中的参考文献: Neilson, Cantiello and Langer 2011,不过,直觉上说,一定是我们对脉动变星的理解上出了什么问题,尤其是涉及到很复杂的脉动模型的时候。恒星物理中的未解之谜千千万万,但是涉及到经典造父变星这种标准烛光的时候,总是会有些让人格外挂念,就像很多天文学家对SNIa的暴发机制发愁一样,物理基础不明确,拿来做定标总让人觉得有些危险。

而解决这个问题的一个最直接的方法,就是用最可靠的动力学质量测量来作为“裁判”,比如,利用双星系统中的经典造父变星的轨道测量,这样的主意天文学家当然早就想到,并做出了尝试,不过早期发现的双星系统中的造父变星多为“single-lined”,即在视线方向上,两星不发生明显的掩食过程,这就使得把造父变星的光变周期分解出来,把双星的轨道定准,从而给出造父变星的准确动力学质量的目标变得很困难,质量的误差一般在15%, 好吧,即便是在天体物理中,我们也要承认,15%的误差的数据去检验20%差别的模型有些让人为难。好在OGLE巡天为这个研究带来了新的希望,这个由波兰天文学家主导,利用位于智利Las Campanas天文台的小望远镜进行的南天巡天不仅协助解决了所谓的大质量晕族天体作为暗物质主要候选的争议,更是利用大天区覆盖,密集星场,短时间间隔的测光数据进行了许多和变星有关的研究,这其中就包括发现了一些处于 “double-lined” 食变双星系统中的造父变星的候选 (关于这个巡天,我曾经专门介绍过: 传送门)

本文的工作来自基于OGLE巡天样本的一个后续观测:Araucaria Project,这是欧洲,美国和智利天文学家共同参与的,利用ESO 3.6米望远镜和Las Campanas天文台的 6.5米 Magellan-Clay望远镜进行的观测项目,旨在从临近星系对宇宙距离指示器进行更好的定标,而他们观测的 OGLE-LMC-CEP-0227 成为了第一颗有相当准确的动力学质量测量的经典造父变星,工作也发表在了去年的Nature杂志上,引起了不小的轰动。那是一颗周期3.6天,观测精度达到了1%水平的造父变星,其质量测量对前面提到的模型给出了很好的限制,并倾向于脉动模型给出的质量更加合理。这一颗造父变星的测量结果已经对造父变星的研究产生了深远的影响,许多研究星族演化模型的天文学家们纷纷表示,考虑了对流产生的overshooting效应 (模型中对流区的边界是由对流理论给出的物理判据确定的,但实际情况是对流泡运动到了理论边界处依然携带着很多动量,继续运动,故称overshooting) 和脉动引起的质量损失之后,赫罗图上的演化轨迹也开始能给出符合的比较好的质量,虽然有些事后诸葛亮的嫌疑,但是说明了这样的观测能起到多大的帮助,这也是为什么这个项目再接再厉,又给出了第二颗有精确动力学测量的经典造父变星。本文的结论相当直接,下面仅作简单的介绍,我个人喜欢这篇文章的原因除了前面的物理背景之外,也是对这种风格的观测文章有格外的偏爱,和很多“下一盘很大的棋”类型的文章不同,本文依托于巡天海量数据和良好的后续观测,完成了一次干净的“狙击”,非常清晰,非常简洁,但是想想看,无论是数据的积累还是观测的要求,难度也非常值得称道。


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Fig.1: OGLE-LMC-CEP-1812系统的光变曲线,掩食清晰可见

主要工作与结论

OGLE-LMC-CEP-1812 (以下简称1812) 在1076天中总共进行了883次 I-波段测光观测,给出了很好的掩食曲线,并利用 Magellan-Clay望远镜上的MIKE中分辨光谱仪,ESO/VLT上的UVES光谱仪,和ESO/3.6m上面大名鼎鼎的HARPS设备进行了后续的光谱观测,3个设备的光谱分辨率在40000-60000之间,总共得到了88条高质量的光谱。虽然利用了这么多厉害的设备,但观测的难度依然很大,因为这个系统处于大麦哲伦星系中一个相当密集的星场中,即便在很好的观测条件下,依然不能排除临近的恒星对观测的影响,因此在数据处理上也提供了相当的难度,好在测光观测给出了一个比较靠谱的双星绕转周期和造父变星的脉动周期的估计,可以作为先验的假定对光谱分析进行限制,具体的数据处理过程文章介绍的比较简略,而且我也不是很了解,就不再多说了。


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Fig.2: 高分辨的光谱观测给出的造父变星的视向速度的变化轮廓。

总结一下从测光和光谱观测中得到的结论,OGLE-1812 是一颗经典的造父变星,质量为 3.74 \pm 0.06 M_{\odot},这个质量和脉动理论估计的值比较接近;从光谱中估计的半径为17.4 \pm 0.9 R_{\odot},这个值也和经典造父变星的脉动周期与半径的关系符合的很好,再次支持了脉动理论给出的造父变星的质量,而且和第一颗有动力学质量测量的造父变星不同,这个系统的第二个成员是一个质量稍低,光度很稳定的巨星。从恒星演化的角度看,这个系统的组成是非常有意思的,两颗同样处于巨星阶段的恒星在一个间隔比较大的双星系统中,两星的质量差别也比较大,对具体的双星演化模型的建立也提出了挑战;结合最新的造父变星的对流和脉动的模型,作者给出了脉动质量的估计,并且在接下来的研究中会把重点放在对经典造父变星的演化上面。


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Fig.3: OGLE巡天中对LMC中经典造父变星的周光关系的估计,图中用明显的点表示了OGLE-1812系统,其中上面的点是未消除双星中非造父变星成员影响时在周光关系上的位置,下面的点是改正之后的,可以看到系统几乎垂直的“下降” 到经典造父变星的周光关系上。

延伸阅读:

  • 1. OGLE巡天的主页
  • 2. Araucaria Project 的主页
  • 3. 去年Nature上,作者关于第一颗有精确动力学质量测量的经典造父变星的文章
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