[論文レビュー] Mass loss from late-type WN stars and its Z-dependence: very massive stars approaching the Eddington limit

G. Graefener, W.‐R. Hamann|ArXiv.org|Mar 6, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 78被引用数 117

ひとこと要約

本論文は、後期型WN（WNL）星のための、初めての自己整合的流体力学的非局所熱平衡モデル大気を提示し、その強い質量放出が、Eddington限界に近い光深さの高い風における放射力による加速によって駆動されることを示している。モデルは金属量（Z）に強く依存するが、Eddington要因Γₑおよび星の温度にも依存しており、極めて低いZであっても、質量の大きな星がWR型風を維持できることが示された。特に、一次窒素で豊かである場合、初期の銀河間物質の窒素豊か化に重要な役割を果たした可能性がある。

ABSTRACT

The mass loss from Wolf-Rayet (WR) stars is of fundamental importance for the final fate of massive stars and their chemical yields. Its Z-dependence is discussed in relation to the formation of long-duration Gamma Ray Bursts (GRBs) and the yields from early stellar generations. However, the mechanism of formation of WR-type stellar winds is still under debate. We present the first fully self-consistent atmosphere/wind models for late-type WN stars. We investigate the mechanisms leading to their strong mass loss, and examine the dependence on stellar parameters, in particular on the metallicity Z. We identify WNL stars as very massive stars close to the Eddington limit, potentially still in the phase of central H-burning. Due to their high L/M ratios, these stars develop optically thick, radiatively driven winds. These winds show qualitatively different properties than the thin winds of OB stars. The resultant mass loss depends strongly on Z, but also on the Eddington factor, and the stellar temperature. We combine our results in a parametrized mass loss recipe for WNL stars. According to our present model computations, stars close to the Eddington limit tend to form strong WR-type winds, even at very low Z. Our models thus predict an efficient mass loss mechanism for low metallicity stars. For extremely metal-poor stars, we find that the self-enrichment with primary nitrogen can drive WR-type mass loss. These first WN stars might play an important role in the enrichment of the early ISM with freshly produced nitrogen.

研究の動機と目的

• 後期型WN（WNL）星における強い質量放出の物理的メカニズムを理解すること。これは、質量の大きな星の進化および元素の生成に不可欠である。
• 長年の論争である、WR風が放射力によって駆動されているかどうかを解明すること。特に、標準的な放射力理論に挑戦する高い風性能数（η ≈ 1–10）を示す点が重要である。
• WNL星における質量放出のZ依存性を調査すること。特に、初期の質量の大きな星および長期間継続するガンマ線バーストの形成との文脈で考える。
• 極めて金属貧乏な星、特に一次窒素で豊かにされた星が、低い金属量であっても依然として強い風を駆動できるかどうかを検証すること。
• 自己整合的風の流体力学および線分裂数のモデルに基づいた、物理的に根拠のあるWNL星の質量放出レシピを確立すること。

提案手法

• 本研究では、拡張する風における完全な放射移動を解く、自己整合的流体力学的風解を有するPotsdam Wolf-Rayet（PoWR）非局所熱平衡モデル大気の新世代を採用した。
• モデルにはFe群の線分製数と風のクラスタリングを含み、光深さの高い、放射力によって駆動される風における放射力加速の現実的な取り扱いが可能になった。
• L/M比、効用温度、金属量（Z）、Eddington要因（Γₑ）といった星のパラメータを体系的に変化させ、依存性を分離するためのパラメータスタディを実施した。
• 観測されたWNLスペクトル、特に分光的連星WR 22との直接比較によって、モデルの妥当性を検証した。
• 風の加速は、深部の大気層から計算され、Feピークの光学厚さが放射駆動を強化する地点に音速点が自己整合的に位置づけられた。
• 異なる元素の駆動効率の違いを反映するために、効果的金属量（Z_eff）を提案した。これは、元素の寄与に基づく重み付け式を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後期型WN（WNL）星に観測される強い、放射力によって加速される風の物理的メカニズムは何か。特に、風性能数（η ≈ 1–10）が非常に高い点に注目する。
• RQ2 WNL星の質量放出率は金属量（Z）にどのように依存するか。極めて低い金属量でも強い風が維持可能か。
• RQ3 Eddington要因（Γₑ）は質量放出にどの程度影響を及ぼし、Z依存性にどのような修正を加えるか。
• RQ4 極めて金属貧乏な星が一次窒素（CNOサイクルによって生成）で豊かにされた場合、依然として強いWR型風を駆動できるか。このような星が初期の銀河間物質の豊か化に果たす役割は何か。
• RQ5 Fe群元素とCNO元素のどちらが風駆動により効果的か。また、WNL星の質量放出レシピにおいて、金属量を効果的にどのようにパrameterizeすべきか。

主な発見

• WNL星は、Eddington限界に近い非常に質量が大きく、明るい星であり、中心水素燃焼段階にあり、L/M比が光深さの高い、放射力によって加速される風を駆動する。
• モデルは、WN6からWN9までの観測されたWNLスペクトル系列を定性的に再現でき、極端なWN8型を除いて銀河内WNL星の風密度と整合的である。
• WNL星の質量放出は金属量（Z）とEddington要因（Γₑ）の両方に強く依存しており、Γₑが高くなるとZ依存性が平坦化し、極めて低いZであっても強い質量放出が可能になる。
• 極めて金属貧乏な星（Z < 10⁻⁴ Z☉）が一次窒素で自己豊かみされると、WR型風を駆動でき、初期の銀河間物質の効率的な質量放出と窒素豊か化が可能になる。
• Fe群元素はCNO元素よりも風駆動においてはるかに効果的である。したがって、Z_effは異なる元素の寄与を重みづける必要があり、提案された式は Z_eff ≈ Z☉·(1/50·X_CNO/X_CNO,☉ + X_Fe/X_Fe,☉) である。
• モデルは、WNL星が低いZであっても高い質量放出率を維持できることを確認した。これは、このような星が長期間継続するガンマ線バーストの前身星であり、初期の化学的豊か化に重要な貢献者であるという仮説を支持する。