[論文レビュー] The Contribution of Stellar Winds to Cosmic Ray Production

Jeongbhin Seo, Hyesung Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 30

ひとこと要約

本研究は、実験的風パラメータと星の進化モデルを用いて、銀河系における巨大星の星風が宇宙線（CR）生成に果たす寄与を定量的に評価している。超新星爆発が依然として主なCR源である一方、特にO型主系列星からの前超新星風は、約1.1×10⁴¹ erg s⁻¹の顕著な機械的エネルギーを供給しており、終端衝撃波および衝突衝撃波における拡산的衝撃加速によってCR加速に重要な補助的役割を果たす可能性を示唆している。

ABSTRACT

Massive stars blow powerful stellar winds throughout their evolutionary stages from the main sequence to Wolf-Rayet phases. The amount of mechanical energy deposited in the interstellar medium by the wind from a massive star can be comparable to the explosion energy of a core-collapse supernova that detonates at the end of its life. In this study, we estimate the kinetic energy deposition by massive stars in our Galaxy by considering the integrated Galactic initial mass function and modeling the stellar wind luminosity. The mass loss rate and terminal velocity of stellar winds during the main sequence, red supergiant, and Wolf-Rayet stages are estimated by adopting theoretical calculations and observational data published in the literature. We find that the total stellar wind luminosity due to all massive stars in the Galaxy is about $L_w\approx 1.1 imes 10^{41}$ erg/s, which is about 1/4 of the power of supernova explosions, $L_{SN} \approx 4.8 imes 10^{41}$ erg/s. If we assume that $\sim 1-10$ % of the wind luminosity could be converted to Galactic cosmic rays (GCRs) through collisonless shocks such as termination shocks in stellar bubbles and superbubbles, colliding-wind shocks in binaries, and bow-shocks of massive runaway stars, stellar winds might be expected to make a significant contribution to GCR production, though lower than that of supernova remnants.

研究の動機と目的

• 質量 M > 10 M☉ の巨大星からの星風が銀河宇宙線（GCR）生成に果たす相対的寄与を評価すること。
• 実験的質量損失および速度関係を用いて、主系列、赤超巨星、Wolf-Rayet段階における機械的エネルギーの堆積量を定量すること。
• 全銀河的風の放射率を推定し、超新星によるエネルギー入力を比較することで、CR加速におけるその役割を評価すること。
• 風駆動衝撃波（終端衝撃、衝突風、 bow-shock）が、超新星に次ぐ顕著な二次的CR源を提供できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 初期質量に応じて星の誕生率をモデル化するため、Integrated Galactic Initial Mass Function（IGIMF）を採用し、ξ(m) ∝ m⁻².⁶ を用いる。
• Vink ら（2000, 2001）、Krtička（2014）などに基づき、星の質量 M の関数としての質量損失率 ẋM および終端速度 v∞ の実験的関係を用いる。
• 風の放射率を Lw = ½ ẋM v∞² で計算し、各進化段階（MS, RSG, WR）における時間積分エネルギー Ew,k(m) = Lw,k(m) × τk を算出する。
• 星の進化モデル（Ekström ら 2012）を用いて、現在の質量 M(t) を初期質量 m と関連づけ、各段階の寿命 τk を計算する。
• 各段階に属する星の数 Nk(m) = N(m) × τk / τ を用いて、全銀河的風放射率 ℒw の合算を行う。
• 得られた風の放射率を、超新星放射率（ℒSN ≈ 4.8×10⁴¹ erg s⁻¹）と比較し、CR加速効率を保守的に 1–10% と仮定して、CR生成可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系において、主系列、赤超巨星、Wolf-Rayet段階における星風からの全機械的エネルギー入力はどれほどか？
• RQ2 風の放射率は初期星質量および進化段階によってどのように変化するか？
• RQ3 星風が全銀河的機械的エネルギー予算のうち、超新星に比べてどの程度の割合を占めるか？
• RQ4 妥当なCR加速効率を仮定した場合、風駆動衝撃波（終端、衝突風、bow-shock）が、超新星に次ぐ顕著な二次的CR源を提供できるか？
• RQ5 主系列、赤超巨星、Wolf-Rayetのうち、どの段階が全風エネルギー堆積およびCR生成可能性において最も寄与しているか？

主な発見

• O型主系列星の全銀河的風放射率（ℒw,MS_O ≈ 7.3×10⁴⁰ erg s⁻¹）は、全段階の中で最大であり、Wolf-Rayet星（ℒw,WR ≈ 4.1×10⁴⁰ erg s⁻¹）を上回る。
• 初期質量 m ≳ 40 M☉ の星では、主系列段階における時間積分風エネルギー（Ew,MS ≈ 10⁵⁰–10⁵¹ erg）が、Wolf-Rayet段階のそれよりも長寿命のため、上回る。
• 全銀河的風の機械的放射率は ℒw ≈ 1.1×10⁴¹ erg s⁻¹ と推定され、超新星放射率（ℒSN ≈ 4.8×10⁴¹ erg s⁻¹）のおよそ23%に相当する。
• 高質量星では、Wolf-Rayet段階における風放射率が最大で Lw,WR ≈ 10³⁹ erg s⁻¹ に達し、粒子加速に適した強い衝撃環境を示している。
• 超新星に比べ総放射率が低いものの、特にO型主系列星からの星風は顕著な機械的エネルギーを供給しており、衝撃波における拡散的衝撃加速によってCR加速を駆動する可能性がある。
• 保守的な1–10%のCR加速効率を仮定した場合、風駆動衝撃波は、観測されたGCRエネルギー密度を維持する上で、超新星に次ぐ主要な補助的源であることが確認された。