[論文レビュー] Massive star feedback - from the first stars to the present

J. S. Vink|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、第3星族から現在に至るまでの質量-loss率をレビューし、特にスペクトル線への放射圧が風を駆動することに注目している。最初の星における質量-lossを顕著に増大させる2つの見過ごされたメカニズム――Eddington制限風と自己増幅された炭素駆動質量-loss――が同定され、それらが銀河間媒体の事前重元素豊度化を促進し、超新星以前の星の進化を変容させる可能性がある。

ABSTRACT

The amount of mass loss is of fundamental importance to the lives and deaths of very massive stars, the input of chemical elements and momentum into the interstellar and intergalactic media, as well as the emitted ionizing radiation. I review mass-loss predictions for hot massive stars as a function of metal content for groups of OB stars, Luminous Blue Variables, and Wolf-Rayet stars. Although it is found that the predicted mass-loss rates drop steeply with decreasing metal content (Mdot ~ Z^{0.7-0.85}), I highlight two pieces of physics that are often overlooked: (i) mass-loss predictions for massive stars approaching the Eddington limit, and for (ii) stars that have enriched their own atmospheres with primary elements such as carbon. Both of these effects may significantly boost the mass-loss rates of the first stars - relevant for the reionization of the Universe, and a potential pre-enrichment of the intergalactic medium - prior to the first supernova explosions.

研究の動機と目的

• 極めて低い金属量が関係する最初の星に特有の状況において、質量効果率が金属量にどのように依存するかを理解すること。
• 低金属量における質量効果率の重要な不確実性が、星の進化、超新星の結果、再イオン化モデルに与える影響を解消すること。
• Eddington制限風と炭素のような一次元素による自己増幅といった、見過ごされた物理的メカニズムが第3星族星における質量効果をどのように増大させるかを調査すること。
• 強化された質量効果が銀河間媒体の事前重元素豊度化と最初の質量効果星の運命に与える宇宙論的影響を評価すること。

提案手法

• 線駆動風理論、特にCAK形式を用いて、スペクトル線への放射圧が質量効果星風の主因であるとモデル化する。
• モンテカルロ放射移動法を適用し、非局所熱平衡効果と詳細な原子物理学を組み込むことで、CAKを改善した風構造と線力のシミュレーションを行う。
• OB星、光度の高い青星（LBV）、Wolf-Rayet（WR）星の間で質量効果予測を比較し、金属量（Z）依存性と元素寄与に焦点を当てる。
• 太陽系金属量では鉄が支配的だが、低金属量では炭素に移行するWC型WR星における風駆動元素の遷移を分析する。
• 回転混合とEddington限界に近い状態が、第3星族星における質量効果の増大に与える影響を評価する。
• 外挿されたモデルを用いて、最初の超新星以前に風が銀河間媒体を事前重元素豊度化する役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量効果星の質量効果率は、金属量にどのように依存するか。特に Z ≲ 10⁻³ の場合に注目する。
• RQ2 質量大で明るい最初の星がEddington制限状態にある場合、その質量効果率はどの程度増大するか。
• RQ3 低金属量環境におけるWolf-Rayet星において、炭素のような一次元素による自己増幅が風駆動に与える影響は何か。
• RQ4 低金属量WR星における炭素主導の線駆動は、標準的なZ依存モデルよりも著しく高い質量効果率をもたらすか。
• RQ5 質量効果星の風が、最初の超新星以前に銀河間媒体を事前重元素豊度化する可能性はどの程度か。

主な発見

• 質量効果星の質量効果率は、およそ Z⁰.⁷ から Z⁰.⁸⁵ のようにスケーリングされるが、非常に低い金属量では風駆動要素の変化によりこの傾向が崩れる。
• 後期のWN星では、金属量依存性が維持され、傾き m ≈ 0.85 である。これは、低金属量でも鉄線が線力の支配的要因のままであるため。
• 後期のWC星では、Z/Z⊙ ≤ 10⁻³ 以下で金属量依存性が緩み、鉄線の強度低下に伴い炭素が鉄を凌駆するため、炭素が風駆動の主因となる。
• 低金属量におけるWC星で炭素主導の駆動に移行することは、質量効果率のZ依存性が著しく低下することを示唆し、低金属量環境では予想を上回る質量効果が生じる可能性がある。
• Eddington限界に近い最初の星や回転混合を経験する星は、炭素線への放射圧により質量効果が増大する可能性があり、ペア不安定超新星の発生を防ぐ可能性がある。
• これらのメカニズムは、最初の超新星以前に質量効果星の風が銀河間媒体を金属で事前豊度化した可能性を示唆し、再イオン化および初期銀河形成に重要な影響を及える。