УДК 524.3-36+524.316.4
СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА И ОТНОШЕНИЕ ИЗОТОПОВ ^С/1^ В АТМОСФЕРЕ АРКТУРА, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПО ПОЛОСАМ СО НА 2.3 мкм
© 2008 г. Я. В. Павленко
Главная астрономическая обсерватория Национальной академии наук Украины, Киев, Украина Поступила в редакцию 27.05.2007 г.; принята в печать 26.10.2007 г.
Моделируются линии поглощения полос (Ау = 2) молекул 12СО и 13СО в диапазоне длин волн АЛ 2.399—2.3415 мкм в спектре Арктура (К2 III). Рассчитана сетка моделей атмосфер и синтетических спектров красного гиганта с параметрами Тед = 4300 К, ^ д = 1.5 и содержаниями элементов согласно работе Петерсон и др., кроме обилия углерода ^^(С), кислорода ^ N(0) и изотопного отношения углерода 12С/13С, которые варьировались в процессе расчетов. Проведено сравнение рассчитанных спектров с наблюдаемым спектром из атласа Хинкле и др. Лучшее согласие рассчитанного и наблюдаемого спектров Арктура получено для ^ N (С) = —3.78 ± 0.1, 12С/13С = 8 ± 0.5. Обсуждается зависимость 12 С/13С от содержаний углерода и кислорода в атмосфере красного гиганта.
РАС Б: 97.10.Tk, 97.20.Li, 95.85.Jq, 95.75.Pq
1. ВВЕДЕНИЕ
Определение обилий углерода, азота и кислорода в атмосферах красных гигантов имеет ключевое значение для понимания природы этих звезд и характера их эволюции. Звезды промежуточных масс являются основными поставщиками углерода в процессе эволюции Вселенной, поэтому проблема эволюции обилия углерода и его изотопов (а также обилия изотопов других легких элементов) имеет важное значение при верификации современных космологических представлений [ 1 ].
В атмосферах звезд диска Галактики, находящихся на стадии главной последовательности, углерод присутствует в основном в форме изотопа 12С. Так, в атмосфере Солнца 12С/13С = 89 [2]. В недрах звезд с массами больше 0.8 Ы& изотоп 12С превращается в 13С и 14С в СЫ-цикле. Равновесное значение 12С/13С для СЫ-цикла составляет ^3.5 [3]. Вновь образованные изотопы 13С и 14С попадают во внешние слои, и изотопное отношение 12С/13С в атмосферах звезд после того, как они покидают главную последовательность, уменьшается. Стандартные модели звездной эволюции для красных гигантов населения I на стадии первого подъема на восходящей ветви гигантов предсказывают значения 12С/13С от 90 до 20 [3—6]. Однако уже первые измерения 12С/13С в атмосферах красных гигантов поля показали значения 12С/13С от
5 до 40 [7, 8]. Этот наблюдательный факт не может быть объяснен начальным низким значением 12C/13C в области формирования этих звезд [5, 9].
Для гигантов населения II ситуация представляется еще более проблематичной, поскольку для них теоретические и полученные из наблюдений величины 12C/13C показывают существенную зависимость от металличности. Вследствие меньшей непрозрачности вещества из-за дефицита металлов, светимости красных гигантов гало оказываются больше, чем у гигантов диска Галактики и они эволюционируют в более короткой временной шкале. Тем не менее, стандартные теории звездной эволюции предсказывают для красных гигантов населения II относительно высокие значения 12C/13C > 20 [10, рис. 4]. В то же время измеренные 12C/13C для красных гигантов шаровых скоплений Галактики часто оказываются заведомо ниже верхнего предела, предсказываемого стандартными теориями [11].
Арктур (a Boo, другие названия: GJ 541, LTT 14184, HD 124897, LHS 48, SAO 100944, BD+192777 [12]) является одной из самых ярких звезд нашего неба. Физические характеристики этого красного гиганта спектрального класса K2 III известны достаточно хорошо. Абсолютный болометрический поток F = 5.01 ± 0.20 Вт-см"2 измерен Блаквеллом и др. [13], что хорошо согласуется с данными Аугасона и др. [14] и более ранними изменениями Блаквелла [15]. Квиренбах
и др. [16] определили видимый радиус Арктура в = 21 ± 0.20 мсек. дуги и соответственно его эффективную температуру Teff = 4303 ± 37 K, а ускорение силы тяжести в атмосфере Арктура lg g = 1.52.
В то же время, используя спектроскопические методы, которые основаны на воспроизведении наблюдаемого распределения энергии в спектре Арктура, полученного разными авторами, Гриффин и Линас-Грей [17] получили для этого красного гиганта Teff = 4290 ± 30 K, lg g = 1.94 ± 0.05, [Fe/H] = —0.68 ± 0.02. При этом сами авторы отмечают, что вследствие особенностей использованной методики точность определения lg g и [Fe/H] у них меньше по сравнению с точностью определения Teg.
Известно, что Арктур имеет достаточно сильную хромосферу, о чем свидетельствует присутствие в коротковолновой части его спектра многочисленных эмиссионных линий [25]. Различные аспекты хромосферной активности исследовались в работах [23-25].
Впрочем, как показывают наблюдения линий воды в инфракрасной области спектра на 10.8— 12.4 мкм [26], реальная атмосфера Арктура имеет, скорее всего, более сложное строение. Профили этих чисто вращательных линий воды невозможно описать в рамках как модели с хромосферой, так и классической модели атмосферы, даже при учете эффектов отклонения от локального термодинамического равновесия (ЛТР). Заметим, что подобные проблемы, но уже для линий СО в ближней инфракрасной области, отмечали Видеман и др. [27].
В недавнем прошлом химический состав атмосферы Арктура определялся различными авторами с использованием как метода моделей атмосфер, так и метода синтетических спектров. В ряде работ проводилось определение содержания углерода и изотопного отношения 12C/13C при моделировании как оптических, так и инфракрасных спектров этой звезды (табл. 1; в этой таблице и далее в статье используется шкала содержаний, в которой EN = = 1). Отметим, что основная часть этих результатов было получена методом моделей атмосфер, т.е из посредством воспроизведения эквалентных ширин выборки ряда относительно слабо бленди-рованный линий поглощения изотопов углерода и (или) углеродсодержащих молекул. В методе моделей атмосфер профили линий и их эквивалентные ширины рассчитываются для моделей атмосфер, в которых температура изменяется с глубиной. Этим метод моделей атмосфер отличается от классического метода кривых роста, в котором число параметров ограничено: "температура возбуждения", содержание элемента, микротурбулентная скорость и постоянная затухания.
Несмотря на наличие достаточно достоверных данных о физических параметрах Арктура, положение этого красного гиганта на треках диаграммы Герцшпрунга—Рассела не позволяет сделать однозначный вывод об его эволюционном статусе. С одной стороны, как отметили Шарбонне и др. [28], Арктур располагается несколько выше горизонтальной ветви и, по всей видимости, находится на стадии эволюции после гелиевой вспышки. С другой стороны, его цветовые характеристики свидетельствуют скорее в пользу того, что звезда находится на восходящей ветви гигантов.
В целом Арктур остается весьма привлекательным объектом для разработки и тестирования различных теоретических моделей и теорий. Так, Губ-бард и Диборн [29] исследовали роль конвективного переноса в присутствии магнитных силовых трубок на изменение 12C/13C в атмосферах звезд разных масс на стадиях эволюции после главной последовательности. Для Арктура была предложена модель с конвективной оболочкой, расположенной выше 0.5 МС0). Естественно, Арктур используется для верификации и уточнения современных систем спектральной классификации [30].
Наиболее близкой к нашему исследованию является работа Ламберта и Рис [7], в которой содержание углерода и его изотопов в атмосфере Арктура и других красных гигантов определялось посредством моделирования атомных и молекулярных линий поглощения методом моделей атмосфер в разных участках спектра.
Заметим, что область 2.3 мкм не моделировалась в известных нам работах, в том числе и в работе [7]. Можно назвать по меньшей мере два обстоятельства, сильно затрудняющие использование этой области для определения содержаний методом моделей атмосфер или при помощи кривых роста:
— самые сильные линии СО здесь насыщены, что весьма ограничивает их применение для определения содержания углерода,
— практически отсутствуют в спектре неблен-дированные слабые линии или линии умеренной интенсивности CO, которые наиболее пригодны для подобного рода определений.
Таким образом, целью настоящей работы является получение независимой оценки содержания углерода и изотопного содержания 12^13C в атмосфере Арктура по линиям молекулы СО в области 2.3 мкм методом синтетического спектра. В процессе работы мы оценили влияние вариаций содержания кислорода и углерода на результаты определения 12^13С Это исследование представляет самостоятельный интерес с точки зрения объяснения различий определений изотопного состава различными авторами, представленных в
Таблица 1. Обилие кислорода и углерода и отношение 12С/13С в атмосфере Арктура, определенные в работах других авторов (используется шкала содержаний, в которой = 1)
Авторы Спектральные линии, используемые для анализа 1еЛГ(0) 1ёЩС) 12С/13С
Круп [18] СН - - низкое
Гриффин [19] линии полос СЫ(2.0) - - 5.5-6.0
Киппер[20] С1, 01 -3.20 ±0.1 -3.63 ±0.1 -
Ламберт и Рис [7] С1, 01, со, сы -3.28 ± 0.08 -4.00 ± 0.08 7.2
Алтае [21] С1, 01 -3.19 ±0.55 -3.52 ± 0.52 -
Петерсон и др. [22] С1, 01, сы -3.21 -3.98 -
табл. 1. Исследование имеет и методический аспект — проверить на хорошем наблюдательном материале применимость нашей методики для решения подобных задач. Заметим, что мы использовали подобную методику для определения 12С/13С в атмосферах красных гигантов шаровых скоплений и пекулярных звезд.
Структура этой статьи следующая. Раздел 2 посвящен описанию наблюдательных данных, которые использовались в настоящей работе, в разделе 3 описана методика, по которой производились расчеты моделей атмосфер, синтетических спектров и сравнение теоретических спектров с наблюдаемыми спектрами Арктура. В разделе 4 приводятся результаты определения обилия углерода и изотопного отношения для атмосферы Арктура. Последний раздел статьи 5 посвящен обсуждению результатов и возможности применения разработанной методики для исследования других звезд поздних спектральных классов.
2. НАБЛЮДАЕМЫЙ СПЕКТР
В работе ис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.