CC BY
50
____________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 155, кн. 3 Физико-математические науки
2013
УДК 524.314
ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АТМОСФЕР НОРМАЛЬНЫХ И ПЕКУЛЯРНЫХ
A-F-ЗВЕЗД
О.А. Аль-Хави, И.Ф. Бикмаев, С.С. Мельников,
М.И. Бикмаева, Н.А. Сахибуллин
Аннотация
В работе приведены результаты расчетов химического состава атмосфер группы звезд спектральных классов A—F. Исследуемая группа состоит из звезд главной последовательности и сверхгигантов в диапазоне температур 6000-9000 К. Выполнен анализ содержания 25 химических элементов в зависимости от атомного номера. Сделано заключение о неоднородности аномалий химического состава атмосфер A-звезд с эффективными температурами Teff = 7000-9000 К. Показано отсутствие химических пекулярностей в атмосферах F-сверхгигантов (подобных наблюдаемым в Ат-звездах), свидетельствующее об их исчезновении в турбулентных атмосферах.
Ключевые слова: звезды спектральных классов A-F, химический состав атмосфер.
Введение
Определение химического состава звездных атмосфер является одним из ключевых инструментов в исследовании звездного нуклеосинтеза, эволюции вещества в Галактике, в проверке теорий звездной эволюции. Подавляющая часть звезд Галактики принадлежит звездам главной последовательности на диаграмме Герц-шпрунга - Рессела в диапазоне спектральных классов A—F—G—K. Продукты ядерного нуклеосинтеза, образующиеся в недрах звезд главной последовательности, не проявляют себя в их атмосферах вплоть до перехода звезд на стадию гигантов и сверхгигантов. Поэтому предполагается, что химический состав атмосфер звезд главной последовательности отражает химический состав газо-пылевого вещества, из которого они сформировались. Такой подход при исследовании химического состава атмосфер старых (5—12 млрд лет) G—K-звезд позволяет исследовать процессы химической эволюции вещества Галактики, начиная с ранних стадий ее пространственной, динамической и кинематической эволюции (звезды гало, толстого и тонкого дисков). Звезды главной последовательности спектральных классов A—F в диапазоне эффективных температур 7000—9000 К принадлежат относительно более молодому населению Галактики (1—3 млрд лет). Очевидно, что исследование химического состава их атмосфер может дать ценную информацию о веществе Галактики на более поздних стадиях ее эволюции. К сожалению, среди звезд спектральных классов A и ранних подклассов F подавляющими по числу оказываются звезды с пекулярным химическим составом, который не может быть объяснен в рамках химической эволюции Галактики. Пекулярности химического состава, вызванные физическими условиями в звездных атмосферах, должны быть количественно установлены и отделены от реальных эффектов синтеза химических элементов в недрах звезд и эволюции вещества в Галактике.
5
6
О.А. АЛЬ-ХАВИ И ДР.
0.51
0.4-
X ф ■О 0.3-
х"
S 0.2-
X
£ 0.1-
а
ф 5 0.0-
О -0.1-
ВО
ф -0.2-
ю
S 3 -0.3-
о -0.4-
-0.5-
Ш
В
С N О NsMgAI Si S CaScTi V CiMif eCoNiCuZnSr Y ZrBaLaCeNcBm
Химический элемент
Рис. 1. Ошибки определения содержания химических элементов
В работе [1] были определены фундаментальные параметры атмосфер группы A-F-звезд. В настоящей работе выполнены расчеты и анализ химического состава для 13 звезд этой группы.
1. Расчеты содержания химических элементов
Расчеты содержания выполнены с использованием программы WIDTH и сетки моделей атмосфер Куруца [2] с параметрами атмосфер, определенными в работе [1]. Интерполяция из узлов сетки моделей на конкретные значения параметров атмосфер (Teff, log g) была выполнена с помощью программы В.Ф. Сулейманова и В.В. Шиманского, описанной в статье [3]. В программе WIDTH содержание элемента определяется как логарифм числа атомов данного элемента по отношению к общему числу элементов, принятому за единицу. В нашей работе использованы атомные данные из Венской базы данных VALD [4], в которой собраны наиболее надежные экспериментальные силы осцилляторов для большинства линий атомов и ионов, представленных в спектрах исследованных нами звезд. Обработка эшелле-спектров высокого разрешения была выполнена с помощью системы обработки спектров DECH [5]. В спектре каждой звезды были измерены эквивалентные ширины, в среднем, 400 спектральных линий, принадлежащих 25 химическим элементам. В качестве стандартного содержания был принят солнечный химический состав из работы [6].
Для одной из звезд программы (2 UMa, Teg = 7900 K, log g = 4.1, Vm;cro = = 3 км/с) были выполнены расчеты содержаний для нескольких моделей атмосфер с фундаментальными параметрами, отличающимися на величину ошибок их определения. Это позволило оценить ошибки расчетов содержания для каждого из 25 элементов в зависимости от числа линий, измеренных в спектре звезды.
На рис. 1 показаны вероятные ошибки определения содержания для отдельных химических элементов. По оси абсцисс представлены химические элементы в порядке возрастания атомного номера, а по оси ординат показана ошибка содержания в шкале десятичных логарифмов (dex).
2. Химический состав F-звезд главной последовательности
На рис. 2 показан химический состав двух F-звезд главной последовательности 41 Ser и 99 Her. Здесь и на последующих рисунках по оси ординат отложено содержание каждого элемента по отношению к стандартному солнечному содержанию
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕР A-F-ЗВЕЗД
7
х
ш
■о
а.
«
И
• 41 Ser 6350/4.2 о 99 Her 6080/4.2
0.5-
-0.5-
о
о
о----й-о----сг
о
- ■ -о-
о
о
-1.0-
С N О NsMgAI Si S CaScTi V CiMif eCoNiCiiZnSr Y ZrBaLaCeNcBm
Химический элемент
Рис. 2. Содержание химических элементов в F-звездах главной последовательности
в шкале десятичных логарифмов (dex), то есть значение 0 соответствует солнечному содержанию, значение +1 - избытку элемента на один порядок относительно солнечного содержания, а значение —1 - дефициту на один порядок. На рисунках около названия звезды указаны значения эффективной температуры и ускорения силы тяжести. Химический состав звезды 41 Ser в пределах случайных ошибок определения практически совпадает с солнечным. Звезда 41 Ser принадлежит к тонкому диску Галактики. Этот результат является важным и с практической точки зрения, так как звезда 41 Ser может быть использована в дальнейших исследованиях в качестве звезды-стандарта солнечного содержания в диапазоне эффективных температур, соответствующих F-звездам.
Атмосфера звезды 99 Her имеет химический состав, отличный от солнечного. Элементы группы железа (V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu) имеют пониженное содержание в пределах -0.35...-0.55 dex. У легких элементов (C, O, Si) и элемента альфа-процесса Ca наблюдается избыток относительно железа на +0.2... +0.5 dex. У элементов s- и r-процессов (Ba, La, Ce, Nd) также присутствует избыток относительно железа в пределах +0.2... +0.3 dex. По своему химическому составу звезда 99 Her относится к толстому диску Галактики.
Наши результаты по определению химического состава 41 Ser и 99 Her согласуются с выводами теории эволюции звезд толстого и тонкого дисков Галактики [7]. Химический состав их атмосфер отражает содержание элементов в межзвездной среде, из которой образовались эти звезды.
3. Химический состав А-звезд главной последовательности
На рис. 3 показан химический состав трех А-звезд главной последовательности в узком диапазоне эффективных температур 7000-7350 К. Видно, что при близких эффективных температурах у этих звезд сильно различаются содержания элементов. Звезда HD 32115 имеет тот же химический состав, что и Солнце. У звезды 28 And имеется дефицит элементов, подобный тому, что и у звезды 99 Her. А у звезды Tau UMa наблюдается систематический тренд увеличения содержания с увеличением атомного номера химического элемента. Этот тренд характерен для атмосфер металлических Am-звезд и может быть объяснен эффектами сепарации элементов из-за светового давления и гравитационной диффузии атомов и ионов [8].
На рис. 4 показан химический состав двух А-звезд главной последовательности в диапазоне эффективных температур 7670-7900 К. Видно, что эти звезды имеют
8
О.А. АЛЬ-ХАВИ И ДР.
К 1-5
Ф
TJ
® 1.0 X
S
§. о.5
ф
5
О 0.0 Ф О X
А -0.5
£
о -1.0
о
1.1,
Ж Tau UMa 7030 / 3.8
• HD 32115 7350/4.2
о 28 And 7100/3.7
ж .ж-'
ж * ж .
. - •' ж 9-.-*-9.а
*П*08 о о * о
С N О NaMgAI SI S CaScTI V CrMtfeCoNICuZnSr Y ZrBaLaCeNfm
Химический элемент
Рис. 3. Содержание химических элементов в А-звездах в диапазоне температур 70007350 К
1.5
г
■о
0 1.0S
1 0.5-
I
о 0.0 ш О X
jS -0.5-
• 2 UMa 7900/4.1 о 15 Vul 7670/3.5
С N О N*lgAI SI S CaScTI V CiMnFeCoNICuZnSr Y ZrBaLaCeNiEm
Химический элемент
Рис. 4. Содержание химических элементов в А-звездах в диапазоне температур 76707900 К
содержания элементов, сходные с тем, что наблюдается для звезды Tau UMa, но при близких эффективных температурах амплитуды избытка элементов у них систематически различаются на полпорядка по содержанию. У звезды 15 Vul наблюдается солнечное содержание легких элементов и элементов железного пика. Лишь для наиболее тяжелых элементов выявлены значительные избытки содержания.
На рис. 5 показан химический состав трех А-звезд главной последовательности в диапазоне эффективных температур 8500-9000 К. Видно, что две звезды (68 Tau и 60 Leo) имеют те же содержания элементов, что и звезда Tau UMa (Teff = 7030 K).
Химический состав звезды 58 Dra (Teff = 8500 К) сходен с составом звезды 15 Vul (Teff = 7670 K) - солнечное содержание легких элементов и элементов железного пика, лишь для наиболее тяжелых элементов наблюдаются значительные избытки содержания.
Как указано выше, нарастающий избыток содержания химических элементов с увеличением атомного номера, наблюдаемый для большинства исследованных А-звезд, может быть объяснен эффектами сепарации элементов из-за светового давления и гравитационной диффузии атомов и ионов, описанными в работе [8]. Однако теория Мишо лишь в общем виде способна объяснить подобный вид кривой распространенности. Нерешенной проблемой является отсутствие корреляции
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕР A-F-ЗВЕЗД
9
S
■о
J
с
р
S
8
р
о
Ж 68 Таи 8910/4.1 • 60 Leo 8970/4.2 о 58 Dra 8510/3.7
’’■S''
. ■■■
С N О NaMgAI SI S CaScTI V CrMnFeCoNICiZnSr Y ZrBaLaCeNcBm
Химический элемент
-0.5
Рис. 5. Содержание химических элементов в А-звездах в диапазоне температур 85009000 К
2
■о
«
S
т
о.
«
ч
1.5-1
о a Per 6360 /1.9
• 41 Суд 6700/2.4
1.0- ж 94 Her 6740/2.4
0.5- • •
8 8 . 8 « ° • • •
0.0- п в'"*
8 * ж ж
Ж и * Ж
-0.5- ж ж
-1.0-
-1.5 .........................................................
С N О NdMgAI Si S CaScTi V CiMnFeCoNiCuZnSr Y ZrBaLaCeNcSm
Химический элемент
Рис. 6. Содержание химических элементов в F-сверхгигантах
амплитуды пекулярностей химического состава с температурой, то есть А-звезды с близкими эффективными температурами имеют сильно различающийся химический состав (см. рис. 3). И наоборот, у А-звезд с сильно отличающимися эффективными температурами (Tau UMa, 68 Tau) наблюдаются сходные и большие амплитуды пекулярностей.
4. Химический состав F-сверхгигантов
На рис. 6 показан химический состав трех F-сверхгигантов. Химический состав a Per и 41 Cyg в пределах случайных ошибок определения практически совпадает с солнечным. В атмосфере звезды 94 Her наблюдается дефицит химических элементов подобно тому, что и у звезд 99 Her и 28 And. В стадию F-сверхгигантов попадают A-B-звезды после ухода с главной последовательности. Отсутствие пекулярностей в атмосферах F-сверхгигантов, подобно наблюдаемым в Am-звездах, свидетельствует об их исчезновении в турбулентных атмосферах. Таким образом, пекулярности содержания в атмосферах Am-звезд вызваны не химическими причинами, а какими-то физическими условиями формирования спектральных линий атомов и ионов.
10
О.А. АЛЬ-ХАВИ И ДР.
5. Выводы
В работе выполнено определение содержаний 25 химических элементов в атмосферах 13 A-F-звезд в диапазоне эффективных температур 6000-9000 К. Показан неоднородный характер проявления пекулярностей химического состава в атмосферах А-звезд в диапазоне температур 7000-9000 К. Атмосферы F-сверхгигантов не имеют пекулярностей химического состава, подобно тому, что наблюдается для Am-звезд. Это указывает на исчезновение пекулярностей в турбулентных атмосферах сверхгигантов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 13-02-00351-a).
Summary
O.A. Al-Hawi, I.F. Bikmaev, S.S. Melnikov, M.I. Bikmaeva, N.A. Sakhibullin. Study of the Atmospheric Chemistry of Normal and Peculiar A-F-Stars.
In this work, we determine the chemical composition of the atmospheres of the group of 13 A-F-stars. The group consists of main sequence and supergiant stars in the temperature range of 6000-9000 K. We analyze the chemical abundance patterns for 25 elements depending on atomic number. In conclusion, we state the non-uniform nature of chemical peculiarities in the atmospheres of Am-stars in the temperature range of 7000-9000 K and show that there are no chemical peculiarities (similar to Am-stars) in the atmospheres of F-supergiants, which indicates that they are disappearing in the turbulent atmospheres.
Keywords: A-F-type stars, chemical composition of atmospheres.
Литература
1. Аль-Хави О.А., Бикмаев И.Ф., Мельников С.С. Бикмаева М.И., Сахибуллин Н.А. Определение фундаментальных параметров атмосфер группы A-F-звезд // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2013. - Т. 155, кн. 2. - С. 184-188.
2. Kurucz R.L. ATLAS9 Stellar Atmospheres Programs and 2 km/s Grid (CD-ROM). -Cambridge: Smithsonian Astrophys. Observ., 1993.
3. Сулейманов В. Ф. Могут ли наблюдаться абсорбционные линии в оптических спектрах рентгеновских Новых? // Письма в Астрон. журн. - 1996. - Т. 22. - С. 107-123.
4. Piskunov N.E., Kupka F., Ryabchikova T.A., Weiss W.W., Jeffery C.S. VALD: The Vienna Atomic Line Data Base // Astron. Astrophys. Suppl. - 1995. - V. 112. -P. 525-535.
5. Галазутдинов Г.А. Система обработки звездных эшелле-спектров. I. Обработка изображений. II. Обработка спектров. Препринт № 92. - Нижний Архыз: САО РАН, 1992. - 52 с.
6. Grevesse N., Sauval A.J. Standard solar composition // Space Sci. Rev. - 1998. - V. 85, No 1-2. - P. 161-174.
7. Soubiran C., Girard P. Abundance trends in kinematical groups of the Milky Way’s disk // Astron. Astrophys. - 2005 - V. 438, No 1. - P. 139-151.
8. Michaud G. Diffusion processes in peculiar A stars // Astrophys. J. - 1970. - V. 160. -P. 641-658.
Поступила в редакцию 23.04.13
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕР A-F-ЗВЕЗД
11
Аль-Хави Омар А. Абдулнаби - аспирант кафедры астрономии и космической геодезии, Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия.
E-mail: [email protected]
Бикмаев Ильфан Фяритович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрономии и космической геодезии, Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия.
E-mail: [email protected]
Мельников Сергей Сергеевич - научный сотрудник кафедры астрономии и космической геодезии, Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия.
E-mail: [email protected]
Бикмаева Мадина Ильфановна - аспирант кафедры астрономии и космической геодезии, Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия.
E-mail: [email protected]
Сахибуллин Наиль Абдуллович - доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой астрономии и космической геодезии, Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия.
E-mail: [email protected]
