经典造父变星近红外CO与CN分子特征的脉动相解析及其对CNO丰度与金属性示踪的意义

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Near-IR CO and CN in classical Cepheids

本研究针对造父变星金属性测量样本有限、中红外周期-颜色-金属性关系机制不明确等难题，通过对12颗银河系经典造父变星开展时间序列近红外光谱观测，首次系统解析了CO（2.3 μm）和CN（1.1 μm）分子特征在脉动周期中的演化规律。研究发现CN吸收显著受核合成物质上涌的影响，建立了通过CO/CN强度差估算[C/N]和[O/N]丰度比的新方法，并验证了CO特征作为金属性示踪剂在詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）低分辨率光谱中的适用性，为宇宙距离尺度校准提供了关键技术支持。

　　

在宇宙学测量中，造父变星作为重要的标准烛光，其周光关系（Leavitt Law）是构建宇宙距离尺度的基石。然而，金属丰度对周光关系的影响一直是悬而未决的问题，Riess等人估计金属性贡献了当前哈勃常数测量的0.5%误差。传统金属性测量依赖高分辨率原子谱线，对遥远星系的造父变星难以实施。近红外波段因受星际消光影响小成为研究热点，特别是詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的投入使用为低分辨率光谱研究提供了新机遇。Scowcroft等人曾发现中红外3.6-4.5 μm颜色变化与碳 monoxide（CO）分子特征相关，但缺乏时间分辨的光谱验证。

为系统解析造父变星大气中温度敏感分子特征的演化规律，研究团队使用Apache Point Observatory的3.5米望远镜上的TripleSpec近红外光谱仪（R=3500），对12颗周期5.5-69天的银河系经典造父变星进行了115次时间序列观测。样本选择覆盖了赫茨普龙拐点（Hertzsprung progression）附近及长周期反转区域，确保金属丰度（[Fe/H]）从-0.19到+0.32 dex的代表性分布。

关键技术方法包括：（1）基于Kleinmann & Hall和Gonneau方法的CO（2.3 μm）与Wing滤波器的CN（1.1 μm）分子指数测量；（2）使用KORG软件对J波段原子谱线进行局部热动平衡（LTE）大气拟合，获取有效温度（T_eff）、表面重力（log g）和微湍流速度（v_mic）；（3）通过MARCS模型大气合成光谱验证观测结果；（4）结合Gaia DR3、TESS和ASAS-SN的光变曲线数据确定脉动相位。

4.1 指数测量结果

分子特征强度显示明显的周期性和温度依赖性。短周期星（P<8天）如RZ Gem的CO和CN吸收可忽略不计，而中长周期星如CP Cep在相位φ≈0.4-0.7达到最大吸收。BM Per的CO指数在T_eff≈5000 K时达0.144 mag，显著高于太阳丰度模型预测值。特别值得注意的是，所有星的CN吸收均强于标准太阳丰度模型预测，表明氮超丰度的普遍存在。

4.2 KORG大气拟合

有效温度拟合结果显示，造父变星在脉动过程中T_eff变化幅度可达1000 K以上。当T_eff>6000 K时CO完全解离，而在5000-5500 K区间观测与模型高度吻合。CN测量值与氮增丰（[N/H]=+0.5 dex）的MARCS模型更好匹配，证实了第一 dredge-up 过程对大气成分的改造。

5.1 激波对谱线的影响

研究发现Paβ线存在明显不对称性和发射成分，如OT Per和BM Per中探测到的强发射特征，表明激波传播对低能级帕邢线产生显著影响。同时，在MN Cam和CP Cep中检测到1.083 μm He I发射线，为激波诊断提供了新证据。

5.2 CNO混合的示踪

通过CO与CN强度的差值分析，建立了估算[C/N]和[O/N]的新方法。对于CP Cep等缺乏传统丰度测量的星，推导出[O/N]≈0.60和[C/N]≈0.25，与高分辨率光谱结果吻合。这为JWST等低分辨率仪器研究遥远星系造父变星化学组成提供了可行方案。

5.3 ET Vul的特殊性质

长周期造父变星ET Vul表现出异常特性：所有相位均未检测到CO/CN吸收，T_eff持续高于6300 K，且表面重力异常低（log g≈1.2）。研究提出这可能是一颗通过双星并合通道形成的造父变星，其外层可能来自贫金属伴星的物质转移，这为造父变星形成机制提供了新视角。

5.4 对周期-颜色关系的影响

研究验证了中红外[3.6]-[4.5]颜色变化确实由CO分子带驱动，且该关系同时受金属性和温度变化幅度调制。这意味着要利用中红外颜色作为金属性指示剂，需要独立约束温度变化信息，可通过光学光变曲线分解技术实现。

本研究通过时间序列近红外光谱系统揭示了造父变星大气中CO和CN分子的脉动演化规律，证实了CN作为 dredge-up 过程示踪剂的敏感性，建立了基于分子特征强度的CNO丰度比估算方法。研究发现激波效应显著影响氢线轮廓但不明显改变分子带特征，为恒星大气动力学研究提供了新见解。针对ET Vul的特殊性质提出的双星并合成因模型，拓展了对造父变星演化通道的认识。最重要的是，研究验证了CO特征作为金属性示踪剂在JWST时代的应用潜力，通过结合温度约束方法，有望为宇宙距离尺度提供大规模、低成本的金属性校准方案。