[論文レビュー] Pulsations in red supergiants with high L/M ratio -- Implications for the stellar and circumstellar structure of supernova progenitors

Alexander Heger, L. Jeannin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 1997

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

ひとこと要約

本論文は、高光度対質量比（L/M）を示す赤超巨星（RSGs）における脈動を調査し、ヘリウムヘリウム核が消費された後の段階でL/M比が上昇することにより、このような星が大振幅脈動を示すことを示している。非線形および線形脈動モデルは、このような脈動が核心崩壊の前に対応する「スーパーウインド」を引き起こす可能性があり、これが核心崩壊前の星間物質および周囲環境の構造を顕著に変化させることを示唆している。その結果、観測された超新星の光曲線、スペクトル、および残骸に影響を与える。

ABSTRACT

We investigate the pulsational properties of RSG models --- which we evolve from ZAMS masses in the range 10 to $20 \Msun$ --- by means of linear and non-linear calculations. We find period and growth rate of the dominant fundamental mode to increase with increasing luminosity-to-mass ratio $L/M$. Our models obtain relatively large $L/M$ values due to the inclusion of rotation in the evolutionary calculations; however, the largest values are obtained at and beyond central He-exhaustion due to major internal rearrangements of the nuclear burning regions. Our non-linear calculations as well as the behavior of the linear period and growth rate of the pulsations for periods approaching the Kelvin-Helmholtz time scale of the H-rich stellar envelope point towards the possibility of large amplitude pulsations. Such properties are similar to that found in AGB stars and suggest the possibility of a ``superwind'' to occur before the RSGs explode as supernovae. We conclude that changes in global stellar properties during the last few $10^4 \yr$ before core collapse may lead to drastic changes in the pulsational and wind properties of pre-supernova stars, with marked consequences for the immediate pre-supernova structure of the star and the circumstellar medium. We compare our results with observations of long-period OH/IR variables and discuss observational evidence for our scenario from observed supernova light curves, spectra and remnants.

研究の動機と目的

• 高L/M比を示す赤超巨星の脈動挙動、特に晩期の進化段階における理解を深めること。
• ヘリウム核の消費に伴うL/M比の変化が脈動周期および増幅率に与える影響を調査すること。
• 大振幅脈動が核心崩壊前の質量放出および風形成に与える影響を評価すること。
• 理論的脈動モデルを、長周期OH/IR変星および超新星残骸の観測的特徴と結びつけること。
• 脈動活動が質量の大きな星の核心崩壊直前の即時的な構造に与える影響を評価すること。

提案手法

• 10〜20太陽質量のゼロ・エイジ主系列からの赤超巨星モデルを進化させ、回転効果を含めた進化を考慮した。
• 基本モードの周期および増幅率を決定するために、線形および非線形脈動計算を実施した。
• 中心ヘリウムの消費に伴い、特にその周囲およびその後にL/M比が著しく上昇する点を追跡した。
• 水素を豊富に含む包層のケルビン＝ヘルムホルツ時効に近い脈動挙動を分析し、大振幅振動の可能性を評価した。
• 長周期OH/IR変星および超新星残骸からの観測データと、モデル予測を比較した。
• 星の構造および脈動方程式を用いて、星の包層の進化およびその動的応答をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光度対質量比（L/M）比は、赤超巨星における脈動周期および増幅率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高L/M比のRSGにおける大振幅脈動は、質量放出および風形成にどのような意味を持つのか？
• RQ3 高L/M比のRSGにおける脈動不安定性は、核心崩壊前の「スーパーウインド」段階を引き起こす可能性があるか？
• RQ4 核心崩壊の直前約10^4年間にわたり、星全体の性質が変化した場合、脈動および風の特性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 モデルの予測は、OH/IR変星および超新星残骸の観測的特徴とどの程度一致するか？

主な発見

• 赤超巨星における支配的で基本的な脈動モードの周期および増幅率は、L/M比が高くなるほど増加する。
• 非線形脈動計算から、ヘリウム核の消費後にL/M比が上昇する場合、特に大振幅振動の可能性があることが示された。
• ケルビン＝ヘルムホルツ時効に近い脈動挙動は、強力で持続的なスーパーウインドを生じる条件を示唆している。
• L/M比の最大値は、中心ヘリウムの消費に伴う内部核燃焼領域の再構成に起因し、その時期およびそれ以降に現れる。
• モデルの結果は、長周期OH/IR変星の観測と整合的であり、類似した脈動および質量放出挙動を示している。
• 本研究の結果は、核心崩壊直前の約10^4年間にわたる脈動活動が、超新星直前の質量放出および周囲環境の構造を顕著に形作っている可能性を示唆している。