[論文レビュー] Calibrating Eruptive Mass Loss in Red Supergiants with Local Group Data

Shelley J. Cheng, Charlie Conroy+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 0

ひとこと要約

著者らは、局所群のRSG集団を用いて、赤色超巨星の物理的動機づけされた超エディントン逸出的質量喪失式を較正し、金属量とともに増加する xi 値を導出し、RSGの進化と巨大星の残骸に影響を与える。

ABSTRACT

We calibrate a physically motivated, super-Eddington eruptive mass-loss prescription for red supergiants (RSGs) using Local Group stellar populations. Building on MESA models that add eruptive mass loss with a free scaling parameter $ξ$, we generate stellar evolution tracks and isochrones, and synthesize mock populations at metallicities of $Z/Z_\odot=0.2,\ 0.4$, and $1.0$. We compare model luminosity functions to observations of RSGs in the SMC, LMC, and M31, restricting to $3.5<\log T_{ m eff}/K<3.75$ and $\log(L/L_\odot)>4.5$. By-eye fits to the observations yield values of $ξ_\mathrm{SMC}=0.0-0.05$, $ξ_\mathrm{LMC}=0.1$, and $ξ_\mathrm{M31}=0.35$, implying a positive, linear trend between the strength of eruptive mass-loss and metallicity. This calibrated eruptive mass loss prevents stars with initial masses $\gtrsim 20~M_\odot$ from evolving to become red supergiants, with implications for the mass spectrum of core-collapse progenitors, compact remnants, early supernova interaction signatures, and the spectral energy distributions of unresolved galaxies.

研究の動機と目的

• MESAベースの超エディントン質量喪失モデルにおける逸出的質量喪失効率パラメータ xi を、局所群のRSG集団（SMC、LMC、M31）を用いて較正する。
• 金属量依存性と逸出的質量喪失の強さ、およびそれが赤色超巨星の進化へ与える影響を検証する。
• 較正された逸出的質量喪失が高光度RSG集団と、それに伴う核崩壊前駆体の景観にどう影響するかを determine する。
• RSGの質量喪失と残骸、超新星相互作用、銀河のSEDへ及ぶ影響を結びつける集団レベルの制約を提供する。

提案手法

• Cheng et al. (2024) の超エディントン逸出的質量喪失処方を MESA に実装し、効率パラメータ xi によって規定する。
• 初期質量 2–90 Msun、金属量 Z/Zsun = 0.2, 0.4, 1.0 のグリッドで星の進化軌跡を走らせる。
• 軌跡を EEP ベースのアイソクローンへ変換し、ArtPop を用いて Kroupa IMF と一定の SFR で SMC、LMC、M31 のモック集団を合成する。
• 輝度選択域 3.5 < log Teff/K < 3.75 かつ log(L/Lsun) > 4.5 におけるモデルと観測 RSG 累積光度関数を比較する。
• xi の値を {0.0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5}（Z=0.2 Zsun では 0.025）として、金属量ごとの最適 xi を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所群のRSG集団に対して較正した場合、逸出質量喪失効率 xi に金属量依存性が現れるか。
• RQ2 SMC、LMC、M31 の観測RSG光度関数は、赤色超巨星の逸出的質量喪失の強さを制約できるか。
• RQ3 較正された逸出的質量喪失を組み込むと、予測されるRSG集団と推定された前駆体の質量分布はどう変化するか。

主な発見

• 最適 xi の値は概ね以下のとおり：xi_SMC ≈ 0.0–0.05 for M ≲ 15 Msun (log L/Lsun ≲ 5.0) および xi_SMC ≈ 0.05 for M ≳ 15 Msun (log L/Lsun ≳ 5.0)。
• xi_LMC の最適値 ≈ 0.10。
• xi_M31 の最適値 ≈ 0.35。
• 逸出的質量喪失の強さと金属量の間に正の、概ね線形の傾向がある（xi ≈ 0.40 × (Z/Zsun) − 0.06）。
• 逸出的質量喪失を含めると、初期質量が ≳ 20 Msun の星が赤色超巨星へ進化するのを防ぎ、高質量端の核崩壊前駆体および関連観測へ影響を与える。
• M31 は低光度領域で緩やかな緊張が見られ、混入、完備性、またはモデリング仮定に起因する可能性がある。