中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的研究

趙瑞珍

（新疆大學(xué)物理學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046）

［欄目責(zé)任編輯 歐陽曦 郵箱52182167@qq.com］

近些年來，觀測者發(fā)現(xiàn)了一類新的暫現(xiàn)源爆發(fā)。他們不同于一般的恒星產(chǎn)生，爆發(fā)時(shí)釋放的總能量大約為1045～1050ergs［1］。由于這類恒星的溫度演化完全不像新星溫度變化那樣（爆發(fā)達(dá)到最大光度時(shí)溫度較低，隨后溫度逐漸升高），反而始終處于較低的溫度。因此，他們曾經(jīng)被人們稱作中間光度的紅色暫現(xiàn)源［2］。除此之外，對于這類恒星還有幾個(gè)經(jīng)常使用的備用名稱，即：紅新星（RNe），中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源、中間紅外暫現(xiàn)源，以及假超新星［3］。在本文中，我們主要考慮SN 2008S、2008 NGC 300 OT和PTF 10fqs作為中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的幾個(gè)觀測樣本。

目前人們對于紅色暫現(xiàn)源的產(chǎn)生機(jī)制仍然有一些爭議。Ivanova et al.（2013）［4］給出了幾種最可能產(chǎn)生中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的模型：熱核爆發(fā)［5］、超新星電子捕獲［6］以及恒星合并模型［7］。在本文中，我們主要根據(jù)雙星合并模型和星族合成方法，估算了銀河系中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的誕生率，以及不同形成通道的雙星合并對中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源誕生的貢獻(xiàn)率。除此之外，我們還對其前身星的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了研究。

1 中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的觀測樣本及觀測性質(zhì)

1.1 SN2008S

SN2008S是2008年在NGC 6946星系附近（d≈5.6Mpc）爆發(fā)的一顆中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源［8］。SN2008S在爆發(fā)時(shí)光變曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，隨后光度隨時(shí)間逐漸降低。并且在銀河系消光為AV=1.13mag，內(nèi)部消光為AV=1mag時(shí)達(dá)到B、V、R、I波段的最大絕對星等，它們分別為MB≈-13.76mag、MV≈-13.97mag、MR≈-14.17mag和MI≈-14.20mag。BVRI光變曲線顯示爆發(fā)后主要有兩個(gè)階段：爆發(fā)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)大約持續(xù)兩個(gè)星期的峰值；迅速下降階段，140天后保持恒定不變。SN2008S爆發(fā)后光譜顏色逐漸變紅。Wesson et al.（2010）年指出SN2008S的光譜中主要有狹窄的巴爾莫發(fā)射線，［Ca II］雙線以及Ca II近紅外三重態(tài)等出現(xiàn)。Prieto et al.（2008）［9］根據(jù)觀測數(shù)據(jù)猜測SN2008S的前身星是一顆質(zhì)量大約為8M ～10M 的漸進(jìn)巨分支（AGB）恒星或超巨星，并且前身星被周圍的星際塵埃所掩蓋。他們根據(jù)Spitzer檔案數(shù)據(jù)推出SN2008S前身星的光度為～3.5×104L ，有效溫度為～640K。

1.2 NGC 300 OT2008-1

NGC 300 OT2008-1與SN2008S類似，同樣是一顆中間亮度的中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源。于2008年在NGC300星系附近觀測到（d≈1.9 Mpc）。然而對于它的相關(guān)性質(zhì)仍 然 知 之 甚 少。Berger et al.（2009）［10］指 出NGC 300 OT2008-1爆發(fā)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值絕對星等Mbol=-11.8mag，介于經(jīng)典新星與超新星爆發(fā)值之間。爆發(fā)過程中釋放的總能量大約為2×1047 ergs。NGC 300 OT2008-1的低分辨光譜也顯示了爆發(fā)過程中存在Hα、Hβ、Ca II紅外三重態(tài)以及［Ca II］λλ7293，7325雙發(fā)射線的釋放。Berger et al.（2009）還根據(jù)它的光譜能量分布指出NGC 300 OT2008-1的前身星是質(zhì)量大約為10M -20M ，光度為～6×104L 的恒星（或雙星系統(tǒng)），并且前身星被周圍的星際塵埃所掩蓋。

1.3 PTF 10fqs

PTF 10fqs是2010年4月觀測到的位于Messier 99懸臂上（d≈17Mpc）的另一顆中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源。它爆發(fā)過程中達(dá)到的峰值光度大約為MR=-12.3。與上面類似，PTF 10fqs在整個(gè)爆發(fā)期間的光譜同樣有明顯的Hα、Hβ、［Ca II］，［Ca II］近紅外三重態(tài)以及Na ID線出現(xiàn)。Kasliwal et al.（2011）［11］給出了其各個(gè)波段的光變曲線，它們明顯的可以分成3個(gè)階段：峰值光度，大約在其爆發(fā)后的第7天出現(xiàn)；光度基本保持不變，這一過程持續(xù)了25天左右；快速下降階段，持續(xù)了大約60天。

2 雙星合并模型

在本文中我們假設(shè)中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源起源于雙星合并，并且主星主要是大質(zhì)量恒星。在雙星演化過程中，如果主星與次星的質(zhì)量比q大于某一臨界值qcrit，恒星在充滿洛希瓣的過程中都會(huì)發(fā)生非穩(wěn)定地動(dòng)力學(xué)時(shí)標(biāo)物質(zhì)轉(zhuǎn)移。對于主序階段的主星qcrit≈3.0，而Hertzsprung間隙的恒星qcrit≈4.0，白矮星qcrit≈0.628［12］。對于巨星主星，依據(jù)Hjellming&Webbink（1987）［13］的模型給出：

其中，M1和Mc為主星質(zhì)量和核心質(zhì)量。隨著主星洛希瓣溢出物質(zhì)的增加，小質(zhì)量的次星將不在能夠吸積主星轉(zhuǎn)移過來的物質(zhì)，而是迅速充滿其洛希瓣，雙星在這種情況下就很有可能形成一個(gè)公共包層。在此期間公共包層拖曳其中一顆或兩顆恒星，使得兩子星間的距離不斷減小。由于公共包層和兩子星之間不斷摩擦，使得雙星系統(tǒng)一部分的軌道角動(dòng)量和能量以熱能的形式轉(zhuǎn)移到公共包層。如果在雙星旋入過程中，系統(tǒng)不能提供出足夠的能量來拋射它們的公共包層，就會(huì)導(dǎo)致兩子星彼此旋入形成一顆具有公共包層的單星。

3 中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源星族的模擬

3.1 銀河系中中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的誕生率和數(shù)目

為了調(diào)查銀河系中紅新星的誕生率，在我們的模型中，我們?nèi)?×106個(gè)雙星樣本，并且假定銀河系中每年誕生一顆主星M1≥0.8M 且統(tǒng)計(jì)誤差小于0.3%［14-15］。在這些雙星中，我們假定主星的質(zhì)量主要分布在8M 和20M 之間。運(yùn)用雙星演化程序，我們估算出銀河系中中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的誕生率為0.1yr-1。我們也對不同形成渠道的中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)除去白矮雙星的合并之外，其他的任何一種雙星合并都有可能產(chǎn)生中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源。在我們模擬的合并雙星中，大約有49.2%的中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源來源于紅巨星和主序星合并；大約1.8%的來自于兩顆紅巨星的合并；大約0.6%的起源于白矮星和主序星合并；大約9.7%的起源于白矮星和紅巨星合并；38.5%的中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源來自于主序星和主序星和并（忽略不計(jì)其余的雙星合并）。由于目前我們在銀河系中仍然沒有觀測到中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的誕生，因此我們只能在理論上進(jìn)行簡單的估計(jì)。

3.2 中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源前身星相關(guān)特性

根據(jù)雙星合并模型和星族合成方法，我們同樣研究了中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的前身星的一些性質(zhì)。圖1描述了中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源前身星主星初始質(zhì)量和初始軌道周期之間的關(guān)系。圖（a）為前身星系統(tǒng)是主序星和主序星組成雙星系統(tǒng)。系統(tǒng)主星的初始質(zhì)量主要分布在8M 到20M 之間，而初始軌道周期變化范圍為0.6～3天。這主要是由于主序主星要發(fā)生動(dòng)力學(xué)時(shí)標(biāo)不穩(wěn)定地物質(zhì)轉(zhuǎn)移，那么雙星的質(zhì)量比q＞＞qcrit≈3.0。這就要求主星為質(zhì)量相對更多地恒星（也就是說M1＞＞3M2）。由恒星的演化我們知道，要使主星始終處于主序階段，那么雙星間的軌道周期需要較短。

圖（b）為巨星（主要包括赫茲間隙階段、第一巨星分支、漸進(jìn)巨分支階段）和主序星組成的前身星系統(tǒng)。系統(tǒng)主星的初始質(zhì)量主要分布在8M ～13M 之間，而初始軌道周期變化范圍為3～64天。由于紅巨星發(fā)生動(dòng)力學(xué)時(shí)標(biāo)不穩(wěn)定地物質(zhì)轉(zhuǎn)移，那么雙星的質(zhì)量比q＞qcrit=0.362+也就是說紅巨星的初始質(zhì)量較小時(shí)，就有可能發(fā)生動(dòng)力學(xué)時(shí)標(biāo)不穩(wěn)定地物質(zhì)轉(zhuǎn)移。同樣的與主序星相比，恒星演化到紅巨星階段要比主序階段需要更長的時(shí)間，因此軌道周期相對的較長一些。

圖（c）和（d）主要分成2個(gè)部分：較短的軌道周期（3～6天）和較長的軌道周期（Porb＞29天）。根據(jù)恒星演化，我們知道一顆恒星演化到赫茲間隙階段要比演化到第一巨分支或者漸進(jìn)巨分支階段所需的時(shí)間短。因此對于赫茲間隙的主星，軌道周期較短；而對于第一巨分支或者漸進(jìn)巨分支的恒星則有較長的軌道周期。

圖1 主星初始質(zhì)量和初始軌道周期的灰度圖。圖（a）、圖（b）、圖（c）和圖（d）分別代表主序雙星合并，紅巨星和主序星合并，紅巨星和紅巨星合并以及白矮星和紅巨星的合并。

4 總結(jié)

SN2008S、NGC 300 OT2008-1和PTF10fqs是光度介于新星和超新星之間的一類恒星。根據(jù)這類中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源爆發(fā)時(shí)的一些觀測性質(zhì)，我們得到以下結(jié)論：

4.1中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的光度主要有2個(gè)明顯特征：峰值光度和快速下降階段，并且在它們爆發(fā)后溫度都在逐漸地下降。

4.2應(yīng)用星族合成方法和雙星合并模擬，我們對銀河系中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源的誕生率進(jìn)行了估計(jì)，尤其是不同形成渠道的雙星合并對中間光度的光學(xué)暫現(xiàn)源誕生的貢獻(xiàn)率。

4.3對于主序星和主序星，紅巨星和主序星的雙星系統(tǒng)，質(zhì)量和軌道周期主要有一個(gè)部分。而對于紅巨星和紅巨星，白矮星和紅巨星合并產(chǎn)生的雙星系統(tǒng)，軌道周期主要分成2個(gè)部分：較短的軌道周期（3～6天）和較長的軌道周期（Porb＞29天）。

［1］Mould，J.，et al.，1990，ApJ，353：L35.

［2］Martini，P.，Wagner，R.M.，Tomaney，A.，Rich，R.M.，della Valle，M.，&Hauschildt，P.H.1999，AJ，118：1034.

［3］Bond，H.E.，et al.，2003，Nature，422：405.

［4］H.E.Bond，et al.，American Astronomical Society Meeting Abstracts（2012），vol.219 of American Astronomical Society Meeting Abstracts，p.436.09.

［5］E.Bear，A.Kashi，N.Soker，2011，MNRAS，416，1965.

［6］I.Iben，Jr.，A.V.Tutukov，1992，ApJ，389，369.

［7］T.A.Thompson，et al.，2009，ApJ，705，1364.

［8］N.Soker，R.Tylenda，2006，MNRAS，373，733.［9］Sahu，D.K.，et al.2006，MNRAS，372，1315.

［10］Arbour，R.，&Boles，T.2008，CBET，1234，1.

［11］Wesson，R.，Barlow，M.J.，Ercolano，B.，et al.2010，MNRAS，403，474.

［12］Prieto，J.，et al.2008，ApJ，681，L9.

［13］Gieren，W.，Pietrzynski，G.，Soszyński，I.，Bresolin，F(xiàn).，Kudritzki，R.-P.，Minniti，D.，&Storm，J.2005，ApJ，628，695.

［14］Berger，E.，Soderberg，A.M.，Chevalier，R.A.，et al.2009，ApJ，699，1850.

［15］Bond，H.E.，Bonanos，A.Z.，Humphreys，R.M.，Berto Monard，L.A.G.，Prieto，J.L.，&Walter，F(xiàn).M.2009，ApJ，695，L154.