[論文レビュー] Testing Evolutionary Models with Red Supergiant and Wolf-Rayet Populations

Philip Massey, Kathryn F. Neugent+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 238被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、マゼラン銀河、M31、M33における更新された赤超巨星（RSG）およびワルフ＝レイター（WR）星の集団を用いて、大質量星の進化モデルを検証する。ガウスのアストロメトリーと近赤外光度測定を用いて前景の混入物を低減し、RSGの選別を改善するとともに、スペクトル的確認を経てWR候補を特定した結果、調整されたRSG温度（200 K低め）を適用した場合、単一星のジェネヴァモデルおよび二重星のBPASSモデルの両方と観測結果の間で良好な一致が得られた。

ABSTRACT

Despite the many successes that modern massive star evolutionary theory has enjoyed, reproducing the apparent trend in the relative number of red supergiants (RSGs) and Wolf-Rayet (WR) stars has remained elusive. Previous estimates show the RSG/WR ratio decreasing strongly with increasing metallicity. However, the evolutionary models have always predicted a relatively flat distribution for the RSG/WR ratio. In this paper we reexamine this issue, drawing on recent surveys for RSGs and WRs in the Magellanic Clouds, M31, and M33. The RSG surveys have used Gaia astrometry to eliminate foreground contamination, and have separated RSGs from asymptotic giant branch stars using near-infrared colors. The surveys for WRs have utilized interference filter imaging, photometry, and image subtraction techniques to identify candidates, which have then been confirmed spectroscopically. After carefully matching the observational criteria to the models, we now find good agreement in both the single-star Geneva and binary BPASS models with the new observations. The agreement is better when we shift the RSG effective temperatures derived from J-Ks photometry downwards by 200 K in order to agree with the Levesque TiO effective temperature scale. In an appendix we also present a source list of RSGs for the SMC which includes effective temperatures and luminosities derived from near-infrared 2MASS photometry, in the same manner as used for the other galaxies.

研究の動機と目的

• 赤超巨星（RSG）とワルフ＝レイター（WR）星の相対的数に関する、長年の進化モデルと観測結果の不一致を解消すること。
• 現代の単一星および二重星進化モデルが、金属量の異なるさまざまな銀河における観測されたRSGおよびWR星集団をどれほどよく再現できるかを検証すること。
• ガウスのアストロメトリーを用いて前景混入物を低減し、近赤外のJ−Ks色を用いてRSGとAGB星を区別することで、RSGの観測的選別を改善すること。
• 光度測定および画像差分法を用いてWR候補を同定し、その後にスペクトル的検証を行うこと。
• レベスクのTiO温度スケールを用いて効果的温度をキャリブレーションすることで、モデル予測と観測結果の一致を図ること。

提案手法

• SMA、LMC、M31、M33におけるRSGサンプルから前景混入物をガウスのアストロメトリーを用いて除去した。
• 2MASSの近赤外J−Ks光度測定を用い、色−明るさ関係を用いて温度境界を定義することで、RSGを同定した。
• 干渉フィルター画像、光度測定、画像差分法を用いてWR候補を検出し、その後にスペクトル的確認を行った。
• レベスクのTiOに基づく温度スケールを用いてRSGの効果的温度をキャリブレーションし、光度測定温度を200 K低く補正した。
• 観測基準（明るさ、温度、金属量）を単一星のジェネヴァモデルおよび二重星のBPASS進化モデルに照合した。
• 2MASS光度測定およびガウスデータを用いて、SMCに所在する501個のRSGの源リストを構築し、それらのTeffおよびlog L/L⊙を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ過去の進化モデルは金属量に応じたRSG/WR比の傾向を再現できなかったのか？
• RQ2 現代の単一星および二重星進化モデルは、金属量が異なる銀河における観測されたRSGおよびWR星集団をどの程度よく再現できるか？
• RQ3 効果的温度スケールの選択（光度測定 vs. スペクトル的TiO）が、モデルと観測結果の比較にどのような影響を及えるか？
• RQ4 特に前景物質の除去とAGB星との分離を改善した観測的選別が、導かれるRSG/WR比に及ぼす影響は何か？
• RQ5 観測されたRSG/WR比の金属量依存性は、単一星および二重星の両方の状況において、質量放出駆動の進化によって説明可能か？

主な発見

• 観測されたRSG/WR比は金属量が低下するにつれて減少し、金属量依存の質量放出による予測と整合的である。
• RSGの光度測定温度を200 K低く補正し、レベスクのTiO温度スケールに合わせた後、単一星のジェネヴァモデルおよび二重星のBPASSモデルの両方と観測結果に良好な一致が得られた。
• SMC（log(O/H)+12 = 8.00, Z ≈ 0.003）ではL/L⊙ ≥ 4.2の条件下でRSG/WR比が41.0+14.0−10.0、M33（Z ≈ 0.006）では1.8+0.3−0.3、M31（Z ≈ 0.030）では2.4+0.2−0.2に低下する。
• 観測されたRSG/WR比の傾向は、今やモデルによってよく再現されており、大質量星進化理論における長年の不一致が解消された。
• SMCのRSGサンプルには501個の星が含まれており、2MASSのJ−Ks光度測定およびガウスデータを用いて効果的温度と明るさが導出され、公開用の源リストが作成された。
• 星形成歴の確率的変動（±30%）は予測されたRSG/WR比にわずかな影響しか及たないため、モデルと観測の一致は安定していることが示された。