银河系中演化晚期恒星的近/中红外性质区分

(由于上周偷了懒,所以这周要尽力补上,前面的两篇把上周的欠债基本还了,这周的进度从新开始,最近似乎在召开年会,肯定有不少研究生同学做了自己工作的报告,我们非常欢迎有感兴趣的同学把自己的报告简要的介绍给我们,我们很愿意代劳为大家的工作做宣传;另外,昨天我介绍了一些自己公派所在的单位的情况,现在几乎很难找到一所国外主要的天文研究单位没有中国学生或者天文学家的身影的,我们非常欢迎分布在世界各地的同学们能抽空给国内的同学们简要的介绍一下自己所在单位的工作情况;好了,不废话了,今天给大家介绍一篇和演化晚期恒星相关的文章,希望大家喜欢)

文章:Near- and Mid-Infrared colors of evolved stars in the Galactic plane. The Q1 and Q2 parameters

  • 作者:Maria Messineo, Karl M. Menten, Edward Churchwell, Harm Habing
  • 论文索引:astro-ph/1110.6843
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章背景:

本文是一篇在逻辑和手段上都相对直观的文章,利用已有的红外银河系巡天数据,结合近红外和中红外的测光数据,在颜色空间中区分不同种类的演化晚期恒星,以此作为新的判据来寻找新的成员,背景部分我们可以简单分成三个部分来介绍,第一,为什么要研究银河系中的演化晚期(Evolved stellar population)的星族;第二,需要用到什么样的数据;第三,演化晚期恒星有哪些主要分类;明白了这三点之后,简单的总结一下文章结论就可以初步的了解文章的意义了。

  • 1. 首先,当然是对研究恒星晚期演化模型有重要的意义,尤其是对大质量恒星,现有的模型都过于的简单,并且不能对一些重要的物理过程,比如质量损失,比如到演化终点形成致密星之间的具体过程做详细的考虑,结合大量具体的,处于不同质量,不同相对演化阶段的恒星的观测必定会很有帮助的。
  • 2. 另外,对于大质量的晚期演化星族,其光度一般都很高,非常适合作为研究银河系结构和星族的指示器;此外,这种高光度和恒星质量的联系可以作为潜在的距离指示,应用到具体的银河系结构测量中。
  • 3. 如前所述,大质量恒星演化晚期的质量损失对于宇宙中星际介质中尘埃质量和金属丰度的增加都有着巨大的贡献,因而,实际上,研究这些恒星对研究整个宇宙历史上的星系演化,和星际介质演化都有重要意义。

  • fig1

    图一:不同类型的演化晚期恒星在J-H v.s. H-Ks颜色平面上的分布,图中的箭头指示了星级消光的矢量。

    讨论完了基本的意义,简单的看一下有哪些演化晚期恒星值得我们关注,最简略的说,对于质量在2-8太阳质量的恒星,在演化晚期会经过渐进巨星支(AGB)这个质量损失速率很高的阶段,然后演化为行星状星云(PN),最终冷却为白矮星;对于更大质量的恒星,在演化晚期经历了一系列短暂的演化阶段,比如蓝超巨星(BSGs),亮蓝变星(LBVs),Wolf-Rayet星(WRs),黄超巨星(YSGs)和红超巨星(RSGs)等,最终以超新星的形式爆发,形成致密星或者黑洞;这里面像AGB星和RSGs阶段都是宇宙中主要的尘埃提供者,由于数量众多,有人估计,星际介质中的70%的尘埃都来自AGB星;而这些分类中,大质量的热星多数情况下不和尘埃包层相关,比如异常明亮的WR星可能只提供了5%的尘埃;在这些演化晚期恒星中,大多数大质量恒星都位于HII区,或者说盘上的旋臂区域,不过AGB星相对小质量,因而年老,运动学分布更加弛豫,可能作为很好的银河系引力势的指示器存在。

    在上面的近红外颜色-颜色图中,作者标出了更多种具体分类的恒星,可能会让不了解这个领域的同学非常困惑,包括我,下面就简单的总结一下吧。

  • 1. AGB: 小-中等质量恒星演化晚期经过了水平支之后的演化阶段,表现为He核心或者C-O核心,外面为He聚变包层,再外侧是H燃烧包层,外面还有巨大的对流区。
  • 2. BSG:光谱型O,B型,质量在10-50个太阳质量之间的超巨星,可能是宇宙中最亮的恒星种类;反映了大质量恒星在演化晚期核心聚变速率相对平缓的阶段,因为产能效率下降,恒星半径收缩,表面升温。
  • 3. RSGs:光谱型K或者M型的超巨星,大于10质量的恒星的演化晚期阶段,核心He燃烧,恒星半径非常大,表面温度很低。
  • 4. YSGs:光谱型F或者G型的超巨星,质量在10-20个太阳质量之间,处于在红超巨星和蓝超巨星之间徘徊的过度阶段,比较短暂,不过可能和某种特殊的超新星有关。
  • 5. LBVs:也叫做S Doradus型变星,及其稀少的超大质量明亮蓝恒星,主要特点是缓慢的光变,伴随着和质量损失事件有关的暴发活动;其光度可达太阳光度的100万倍,质量可以接近恒星的极限,仅仅能勉强维持着流体静力学平衡。
  • 6. WRs:质量大于20个太阳质量的演化恒星,表面温度很高,质量损失很快,和上面提到的LBVs可能是有演化关系的。
  • 7. SRs: Semiregular Variables, 半规则变星,一类光谱型中晚型的巨星或者超巨星,并且主要的特点是显著的光变,光变周期多在20-200天之间,且有不规则的暴发现象。
  • 8. OH/IR Star:简单的说,就是有来自星周壳层气体的强OH脉泽和红外发射的恒星,多数是段周期的脉动变星,比如说有大量星周介质的AGB星
  • 9. SiO Star:星周有SiO脉泽的AGB星
  • 10. LAVs: large amplitude variables, 光变幅度很大的长周期变星。基本上,后面的这3类恒星都可以看作是Mass-Loss AGB星类型下面的子类。
  • 上面的这些概念只是最简单和粗略的印象,不过,大质量恒星演化晚期的复杂图像已经可见一斑,这些分类之间不仅仅存在着演化上的联系,在概念上还有交际,比如很多LAVs很可能也是SiO星等等,总之,这也显示了本文工作的另一层意义,那就是,要想研究他们,先要搞清楚谁是谁;对银河系中的大质量演化晚期恒星进行排查不是一件容易的事情,必须依赖于大尺度的巡天,而且由于这些恒星质量损失强,星周介质复杂的特点,红外,包括近和中红外巡天都是必须要使用的手段,本文主要利用了2MASS,MSX和Spitzer的银道面巡天的数据,不过下面也简单的总结一下相关的红外巡天:

  • 1. 2MASS:Two Micron All Sky Survey: 这个不用多说了,J,H,Ks三个波段的全天巡天:Cutri et al. 2003
  • 2. DENIS: Deep Near-Infrared Survey: 这个是ESO开展的南天巡天,使用的是光学的I波段,和近红外的J和K波段,Epchtein et al. 1999
  • 3. UKIDSS: UKIRT Infrared Deep Sky Survey: 号称是2MASS之后的下一代红外巡天,使用的也是J,H,K三个波段,Lucas et al. 2008
  • 4. VISTA Survey: 利用ESO在La Silla的3.6m VISTA巡天望远镜进行的,使用的是从光学到近红外的Z,Y,J,H,Ks 5个波段,Minniti et al. 2010
  • 5. MSX: Midcourse Space Experiment, 利用搭载在卫星上面的33cm的红外望远镜,在96-97年间,MSX项目对银盘附近进行了从8-22微米的4个波段的巡天,Price et al. 2001
  • 6. ISOGAL: ISO Infrared Survey of Galactic Plane, ISO红外空间卫星进行的中红外银盘巡天,工作在7-15微米之间,Schuller et al. 2003
  • 7. GLIMPSE: Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire,Spitzer红外空间望远镜的银盘中红外巡天,使用的是IRAC照相机上面的4个波段的数据,Benjamin et al. 2003; Churchwell et al. 2009
  • 除去这些之外,MIPSGAL巡天是利用Spitzer的MIPS中-远红外照相机进行的银盘巡天,包括还有日本的Akari卫星,以及刚刚发布半全天数据的WISE红外卫星,本文主要利用了银河系中已知的很多演化晚期恒星,包括了近千颗AGB星,500颗RSGs,350颗WRs,十几颗LBVs以及一些其他稀有品种的2MASS+GLIMPSE数据进行恒星在颜色-颜色分类的研究;这样的工作已经有快30年的历史了,但是结合最新的数据得到的图像可以得到更加可靠的分类结果,下面就简单的总结一些本文的结论吧。


    fig1

    图二:同上,在Ks-[8.0] v.s. J-Ks颜色空间上的分布

    本文结论:

    通过研究来自2MASS-GLIMPSE的数据,在颜色空间上,作者发现,J-H v.s H-Ks图和J-Ks v.s. Ks-[8.0]图格外的有用,在这两组颜色的平面上,可以明显看到WR星和其他明显质量损失的晚期大质量恒星的颜色分布和一般的星际介质红化矢量的方向明显不同,WR星有一个明显的中红外辐射excess,可能来自于自由-自由热辐射;而其他晚期恒星也拥有红外辐射过量,不过其来源应该是富尘埃的包层;在Ks-[8.0] v.s. J-Ks图上,不同类型的质量损失晚期恒星,从SRs到Mira型变星,再到OH/IR型星,颜色逐渐变红,这个颜色也和恒星的质量损失有关系。简单的说,基本上结合前面的两个颜色-颜色分布,可以很好的吧来自星际介质的红化和星周质量损失产生的红化区分开来,从而把不同类型的恒星分开。


    fig1

    图三:利用Spitzer数据得到的,[3.6]-[8.0] v.s. [3.6]-[4.5]的中红外颜色上面的不同恒星分布,对大质量演化恒星的选择可能很有帮助

    在得到了很好的颜色分布之后,作者定义了Q1和Q2的两个与红外消光无关的参数来进一步研究恒星分类;Q1参数来自于在J-H v.s. H-Ks平面上对消光矢量的偏离,这个参数是之前就有人使用过的;Q2参数是作者自己定义的,来自于 J-Ks v.s. Ks-[8.0]颜色平面上对消光矢量的偏离;结合这两个参数,有明显自由-自由辐射贡献的WRs星或者是RSGs的候选可以被很有效的选择出来;而且如果能进一步结合其他的中红外颜色,比如[3.6]-[4.5]颜色,可以把演化晚期恒星的选择做进一步的改善。


    fig1

    图四:Ks-[8.0]颜色和Q1参数之间的关系,可以区分开有显著自由自由辐射贡献的晚型恒星

    延伸阅读:

  • 1. Deep Near Infrared Survey of the Southern Sky 主页
  • 2. UKIRT Infrared Deep Sky Survey 主页
  • 3. Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy和其巡天的主页
  • 4. Midcourse Space Experiment (MSX) 在IRSA上的介绍
  • 5. ISOGAL 巡天主页
  • 6. The GLIMPSE and MIPSGAL Surveys的主页
    • 分享到:

    Leave a Reply

    Your email address will not be published. Required fields are marked *