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LAMOST助力天文学家探究天琴座RR型变星内的激波现象
时间 : 2022-12-26     

 

LAMOST作为世界上口径最大的大视场兼大口径及光谱获取率最高的望远镜,自发布数据以来产出了无数优秀成果,也助力一代代学子在科研道路上前行。本文带来LAMOST数据支持的北京大学第二十八届“挑战杯”——五四青年科学奖竞赛特等奖作品。   

天琴座RR型变星(RR Lyrae stars),是一类低质量、年老的恒星,处于演化过程中的氦核燃烧阶段。这类恒星的脉动机制是电离氦的不透明度随着温度变化。天琴座RR型变星被发现遵循绝对星等和金属丰度定律,这使得它们可以被用作十分有影响力的工具“标准烛光”来精确地确定星团和附近星系到我们的距离。但长周期修正现象,即Blazhko效应,可能会影响相位零点的确定。而其内部的周期性激波现象,被认为可能与Blazhko效应有关。

 
  
   
图一:接近银河系中心的天琴座RR型变星(图源于VVV ESO公共巡天)

虽然变星内部激波的动力学演化十分复杂,我们却仍然可以通过观测光谱的特征来推测出内部的现象。天琴座RR型变星中激波现象的观测表征是在光谱中周期性短暂出现的发射线。发射线来自于气体中的原子在被经过的激波激发之后,在较冷的尾流区退激发释放能量的过程。在所有天琴座RR型变星的发射线中,巴尔末线系的发射线最为著名,它们被称为RR Lyrae星光谱中的“幽灵”。“幽灵”现象可能对应多种不同的机制下诞生的激波过程。其中,较窄的蓝移发射线被认为来源于向外传播的主激波过程前后的热辐射层,非常微弱的蓝移发射线可能来自于低层正在扩张的大气遇到已经处于收缩回落阶段的高层光球层后产生的被压缩的高热的区间,红移发射线可能来自于激波回落过程中氢复合区与弱压缩波叠加形成的挤压区间。   

得益于观测技术的快速增长,我们目前拥有了前所未见的大量的巡天光谱。由于“幽灵”特征的持续时间很短,很容易被长时间的曝光和光谱的叠加而“抹平”,人们难以广泛地搜寻天琴座RR型变星中的“幽灵”。恰好彼时LAMOST光谱巡天项目释放出的低分辨和单次曝光光谱非常适合进行这一研究。在这项工作中,我们建立了一套一维模式识别算法程序,在LAMOST和SDSS低分辨单次曝光光谱库中快速地寻找激波特征,并进行了一系列统计性分析。我们发现具有类似性质的天琴座RR型变星处在在激波相位时在logTeff-logg图上趋近于分布在一条狭窄的直线上,并通过MESA模拟予以对照。并且我们依据LAMOST的观测策略设计了一套程序对“幽灵”进行模拟观测,研究探测到的概率。值得注意的是,在这项研究中,我们第一次在非基本模式(一阶泛音和双模脉动模式)天琴座RR型变星中探测到了可能的激波表征。在漫长的时间里,因为这一探测空白,人们怀疑基本模式与非基本模式脉动的天琴座RR型变星中Blazhko效应的成因完全不同,这一结果无疑可以改写我们对非基本模式天琴座RR型变星的认知。  

 
 
    
图二:我们发现具有类似性质的天琴座RR型变星处在在激波相位时在logTeff-logg图上趋近于分布在一条狭窄的直线上,并通过MESA模拟予以对照。   
    
 

引文链接:   
1.     Possible Evidence of Hydrogen Emission in the First-overtone and Multimode RR Lyrae Variables, Duan, X.-W., Chen, X.-D., Deng, L.-C., et al. 2021a, ApJ, 909, 25, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd6b9  
2.     Blueshifted Hydrogen Emission and Shock Wave of RR Lyrae Variables in SDSS and LAMOST, Duan, X.-W., Chen, X.-D., Sun, W.-J., 2021b, ApJ, 918, 3, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac174a