[論文レビュー] Red Supergiants, Luminous Blue Variables and Wolf-Rayet stars: the single massive star perspective

G. Meynet, C. Georgy+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2011

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、単一星モデルにおける回転と質量損失が赤超巨星（RSG）、明るい青変星（LBV）、Wolf-Rayet（WR）星の進化経路を支配することを提案している。中程度の回転と質量損失はRSGの形成を促進するが、高速回転と強い質量損失は直接WR段階への進化を引き起こし、18–30 M⊙の星においてRSGの前身星が稀であること、およびType Ibc超新星の前身星が検出されていないことの説明が可能である。

ABSTRACT

We discuss, in the context of the single star scenario, the nature of the progenitors of Red Supergiants (RSG), of Luminous Blue Variables (LBV) and of Wolf-Rayet (WR) stars. These three different populations correspond to evolved phases of Main Sequence (MS) OB stars. Axial rotation and mass loss have a great influence on massive star evolution in general and more specifically on the durations of these different phases. Moderate rotation and mass loss, during the MS phase, favor the evolution towards the RSG stage. Fast rotation and strong mass loss during the MS phase, in contrast, prevent the star from becoming a RSG and allow the star to pass directly from the OB star phase into the WR phase. Mass loss during the RSG stage may make the star evolve back in the blue part of the HR diagram. We argue that such an evolution may be more common than presently accounted for in stellar models. This might be the reason for the lack of type IIP SNe with RSG progenitors having initial masses between 18 and 30 M$_\\odot$. The LBVs do appear as a possible transition phase between O and WR stars or between WNL and WNE stars. Fast rotation and/or strong mass loss during the Main-Sequence phase prevent the formation of LBV stars. The mechanisms driving the very strong ejections shown by LBV stars are still unknown. (abridged)

研究の動機と目的

• RSG、LBV、WR星の寿命と遷移を規定する回転と質量損失の役割を分析することで、大質量星進化における矛盾を解消すること。
• 18–30 M⊙の星においてType IIP超新星のRSG前身星が観測されない現象を、RSG段階における質量損失が鍵要因であると提案することで解明すること。
• 深紫外・赤外撮影にもかかわらずType Ibc超新星の前身星が検出されていない理由を、爆発前の殻状噴出や代替の前身星経路の可能性として考察すること。
• 金属量に応じてWR星やさまざまな核心収縮超新星が形成されるメカニズムにおいて、単一星進化と二重星相互作用の相対的寄与を明確にすること。
• Eddington限界と臨界回転速度がLBVで観測される極端な質量噴出を駆動しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 主系列から後主系列段階にかけての大質量星のHR図上での軌道を、回転と質量損失を含む単一星モデルで再現する。
• 更新された質量損失則（例：放射駆動風）と回転混合（例：拡산輸送）を用いて、10–90 M⊙の星の進化をモデル化する。
• 観測データ（青超巨星と赤超巨星の比率、超新星前身星の検出）と照らし合わせ、RSG、LBV、WR段階の持続時間と出現頻度をモデル予測と比較する。
• 金属量がType IbcとType II超新星の比率に与える影響を分析し、観測と整合するかを検証する。
• 理論的安定性と風モデルを用いて、Eddington限界と臨界回転（ΩΓ限界）がLBV的殻状噴出を引き起こす役割を評価する。
• 若年集団（例：Westerlund I、銀河中心）におけるRSGとWR星の共存性を評価することで、二重星由来のWR星形成の希少性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ18–30 M⊙の初期質量範囲においてType IIP超新星のRSG前身星が観測されないのか？また、RSG段階における質量損失がこの現象に与える影響は何か？
• RQ2 LBV星における極端な質量噴出を引き起こす物理的メカニズムは何か？Eddington限界に近い回転がこれらの現象を説明できるか？
• RQ3 深紫外・赤外撮影にもかかわらず、Type Ibc超新星の前身星が検出されていないのはなぜか？これは爆発前の進化や前身星の多様性に何を示唆するか？
• RQ4 金属量に応じて、Type IbcとType II超新星の比率はどのように変化するのか？単一星モデルはこの傾向を再現できるか？
• RQ5 なぜ共存する集団においてRSGとWR星がめったに共に見つからないのか？これは単一星進化と二重星進化のWR星形成における相対的寄与に何を示唆するか？

主な発見

• 主系列段階での中程度の回転と質量損失は赤超巨星（RSG）の形成を促進するが、高速回転と強い質量損失はRSGの形成を防ぎ、直接WR段階への進化を引き起こす。
• RSG段階における質量損失により、星はHR図の青領域へ再び再進化する可能性があり、18–30 M⊙の星においてRSGの前身星が観測されない現象の説明が可能である。
• 10例のType Ibc超新星において前身星が検出されていない現象（偶然非検出の確率が11%未満）は、爆発前の殻状噴出やWRではない前身星が一般的である可能性を示唆している。
• 単一星モデルは、多くのブラックホール形成星が依然として観測可能な超新星を生成すると仮定すれば、金属量依存的なType Ibc/Type II超新星比率を観測と整合的に予測する。
• 共存するRSGとWR星の集団が高金属量または大質量集団以外では希少であることは、25 M⊙未満の星において、二重星の質量転送（例：ロゼット・ローブ・オーバーフロー）によるWR星形成が一般的でないことを示唆している。
• LBVはO星とWR星の間の遷移段階である可能性があるが、その極端な噴出は未解明のままである。Eddington限界に近い状態と臨界回転が、このような現象の発火要因として関与している可能性がある。