[論文レビュー] Stellar Wind Yields of Very Massive Stars

Erin R. Higgins, J. S. Vink+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、太陽金属量のもとで、MESA星間進化モデルを用いて非常に質量の大きな星（VMS、M > 100 M⊙）の星風による元素生成量を計算している。光学的厚さの星風を物理的に裏付けられた増強された質量放出率を用いた。その結果、VMSは標準的なO星風に比べて、主系列で5–10倍も処理された元素（例：14N、20Ne、23Na、26Al）を放出することが判明した。これは、銀河における26Alの主要な供給源であり、球状星団における反相関を駆動する重要な候補である。

ABSTRACT

The most massive stars provide an essential source of recycled material for young clusters and galaxies. While very massive stars (VMS, M>100M) are relatively rare compared to O stars, they lose disproportionately large amounts of mass already from the onset of core H-burning. VMS have optically thick winds with elevated mass-loss rates in comparison to optically thin standard O-star winds. We compute wind yields and ejected masses on the main sequence, and we compare enhanced mass-loss rates to standard ones. We calculate solar metallicity wind yields from MESA stellar evolution models in the range 50 - 500M, including a large nuclear network of 92 isotopes, investigating not only the CNO-cycle, but also the Ne-Na and Mg-Al cycles. VMS with enhanced winds eject 5-10 times more H-processed elements (N, Ne, Na, Al) on the main sequence in comparison to standard winds, with possible consequences for observed anti-correlations, such as C-N and Na-O, in globular clusters. We find that for VMS 95% of the total wind yields is produced on the main sequence, while only ~5% is supplied by the post-main sequence. This implies that VMS with enhanced winds are the primary source of 26Al, contrasting previous works where classical Wolf-Rayet winds had been suggested to be responsible for Galactic 26Al enrichment. Finally, 200M stars eject 100 times more of each heavy element in their winds than 50M stars, and even when weighted by an IMF their wind contribution is still an order of magnitude higher than that of 50M stars.

研究の動機と目的

• 太陽金属量における非常に質量の大きな星（VMS、M > 100 M⊙）の星風生成量を、更新された星間進化モデルを用いて定量すること。
• 標準的なO星風の設定と比較して、光学的厚さの増強された質量放出率が核生成産物に与える影響を調査すること。
• VMSの星風が銀河における26Alの蓄積に果たす寄与と、球状星団の反相関（例：C-N、Na-O）に与える影響を評価すること。
• VMS進化における主系列期とその後の星風放出の相対的寄与度を評価すること。
• IMF加重平均によるVMSの重元素放出への寄与を、低質量O星と比較して評価すること。

提案手法

• 太陽金属量のもとで、50から500 M⊙のVMSをモデル化するために、92種の核種を含む核反応ネットワークを用いたMESA星間進化コードを採用した。
• Vink & Gräfener (2012)の遷移点を超えて質量放出率を増加させる物理的裏付けのある星風設定を適用し、光学的厚さの星風を模擬した。
• 主系列およびその後の段階で、水素燃焼生成物（14N、20Ne、23Na、26Al）および核種（4He、12C、16O、22Ne）の変化を追跡した。
• 増強された（VMS的）と標準的（O星的）の星風設定の間で風の生成量を比較し、星風の光学的厚さが与える影響を分離した。
• 放出された質量とネット生成量を計算し、星族全体における相対的寄与度を評価するためにIMF加重寄与を含めた。
• 化学的に均一な進化（CHE）がVMSに与える役割を分析した。大規模な対流コアにより完全な混合が保証され、表面組成の変化が生じる。

(a) Enhanced V11 optically thick winds for VMS

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常に質量の大きな星における増強された質量放出率は、主系列期における水素燃焼生成物（例：14N、20Ne、23Na、26Al）の放出にどのように影響するか？
• RQ2 増強された星風を示すVMSにおいて、風の生成量の総量のうち、主系列期とその後の段階でそれぞれどの程度の割合を占めるか？
• RQ3 O星やWolf-Rayet星と比較して、VMSは観測された銀河内26Alの蓄積にどの程度寄与しているか？
• RQ4 高い質量放出率を示すVMSの星風は、球状星団における観測されたC-NおよびNa-O反相関を説明できるか？
• RQ5 IMF加重平均で見た場合、VMSの重元素放出への寄与は、低質量O星と比べてどの程度の割合を占めるか？

主な発見

• VMSの全風生成量の95％が主系列期に放出され、残りの約5％がその後の段階で放出される。これは、初期の質量損失が支配的であることを示している。
• 増強された星風を示すVMSは、標準的なO星風を示す星に比べて、5–10倍も水素処理生成物（14N、20Ne、23Na、26Al）を放出する。
• 200 M⊙のVMSは、IMF加重を考慮しても、50 M⊙の星よりも100倍も多くの重元素（例：12C、16O、28Si）を風で放出する。
• 初期質量が100 M⊙以上のVMSは、化学的に均一な進化のおかげで、初期質量にかかわらず同じHe-ZAMS質量と表面組成を持つ。
• VMSは銀河における26Alの主な供給源であり、初期質量の10–3から10–2を26Alとして放出する。一方、低質量O星は26Alを一切放出しない。
• 中質量帯（80–100 M⊙）の星は、後系列期にかけて4Heの損失が顕著になるのを避け、処理された状態で12Cと16Oを多く放出する。

(b) Standard V01 optically thin O star winds applied to VMS