[論文レビュー] The extreme scarcity of dust-enshrouded red supergiants: consequences for producing stripped stars via winds

Emma R. Beasor, Nathan Smith|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 70被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、ダストに取り囲まれた赤超巨星（DE-RSG）の存在とその重要性を再評価し、ローマン＝マダガスカル銀河団（LMC）においては、唯一のRSG（WOH G64）が真に高い質量放出率（>10⁻⁴ M⊙/yr）と顕著なダスト吸光を示すと結論づけた。更新された光度測定データとDUSTYモデル化を用いて、著者らはDE-RSGが極めてまれで短命であることを明らかにした。これは単一星の進化における役割を限定し、RSGの質量放出による風駆動型の剥ぎ取り包み型超新星の生成を排除する。

ABSTRACT

Quiescent mass-loss during the red supergiant (RSG) phase has been shown to be far lower than prescriptions typically employed in single-star evolutionary models. Importantly, RSG winds are too weak to drive the production of Wolf-Rayets (WRs) and stripped-envelope supernovae (SE-SNe) at initial masses of roughly 20--40$M_{\odot}$. If single-stars are to make WRs and SE-SNe, this shifts the burden of mass-loss to rare dust-enshrouded RSGs (DE-RSGs), objects claimed to represent a short-lived high mass-loss phase. Here, we take a fresh look at the purported DE-RSGs. By modeling the mid-IR excesses of the full sample of RSGs in the LMC, we find that only one RSG has both a high mass-loss rate (\mdot $\ge$ 10$^{-4}$ $M_{\odot}$ yr$^{-1}$) and a high optical circumstellar dust extinction (7.92 mag). This one RSG is WOH G64, and it is the only one of the 14 originally proposed DE-RSGs that is actually dust enshrouded. The rest appear to be either normal RSGs without strong infrared-excess, or lower-mass asymptotic giant branch (AGB) stars. Only one additional object in the full catalog of RSGs (not previously identified as a DE-RSG) shows strong mid-IR excess. We conclude that if DE-RSGs do represent a pre-SN phase of enhanced \mdot\ in single-stars, it is extremely short-lived, only capable of removing $\leq$2\msun\ of material. This rules out the single-star post-RSG pathway for the production of WRs, LBVs, and SE-SN. Single-star models should not employ \mdot-prescriptions based on these extreme objects for any significant fraction of the RSG phase.

研究の動機と目的

• van Loonら（2005）が提唱したダストに取り囲まれた赤超巨星（DE-RSG）の存在と特性を再評価すること。
• DE-RSGが単一生の進化における強化された質量放出の有意義で長期間にわたる段階を表しているかどうかを特定すること。
• van Loon ら（2005）のRSGに対する質量放出規定が、星の進化モデルにおいて信頼性を持って適用可能かどうかを評価すること。
• DE-RSGの進化的影響が、Wolf-Rayet星や剥ぎ取り包み型超新星の生成に与える影響を定量化すること。
• DE-RSG段階が、巨大星の最終的運命を変えるのに十分な質量を除去できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 高空間分解能と感度を備えたDavies ら（2018）のLMCの冷却超巨星カタログからの更新された光度測定データを用いた。
• van Loon ら（2005）のサンプルに属する14個のRSGのスペクトルエネルギー分布（SED）に対して、DUSTY放射輸送モデルを適用した。
• 中赤外域の過剰放射と可視光の吸光から、質量放出率（Ṁ）と周囲のダスト吸光を計算した。
• モデル化されたSEDと質量放出率を、van Loon ら（2005）の規定およびクラスタ内の通常のRSGと比較した。
• 色-光度図を用いて、DE-RSGが明確に分離された進化的系列を形成しているかどうかを検証した。
• 利用可能なSpitzer-IRSデータを用いて、ダスト放射モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 van Loon ら（2005）が提案したDE-RSGは、実際に高い質量放出率と顕著なダスト吸光を示しているのか？
• RQ2 DE-RSG段階は単一の赤超巨星における一般的な、あるいは短命な進化的段階なのか？
• RQ3 van Loon ら（2005）の質量放出規定は、単一生の進化モデルに信頼性を持って適用可能なのか？
• RQ4 この段階が除去可能な最大質量はどれくらいで、それが剥ぎ取り包み型超新星の生成に十分な量なのか？
• RQ5 DE-RSGは、通常のRSGやAGB星と比べて、光度的および進化的特性において真に特徴的なのか？

主な発見

• LMCのRSGの中で、唯一WOH G64が真にダストに取り囲まれており、質量放出率が10⁻⁴ M⊙/yrを超えると確認された。また、可視光吸光は7.92 magに達する。
• もう一つの候補（LI-LMC 1100）は中赤外域の過剰放射が顕著だが、さらなる観測がなければ未確認のままである。
• 元のvan Loon ら（2005）のサンプルに属する残りの12個の対象はダストに取り囲まれておらず、通常のRSGと同等の質量放出率を示している。
• DE-RSGはLMCのRSG集団の3％にすぎず、この段階の最大持続期間は30,000年未塔であると示唆される。
• この段階で除去可能な質量は最大で1–2 M⊙にとどまり、星をHertzsprung-Russell図の青い端に再び戻すには不十分である。
• van Loon ら（2005）の規定は質量放出を過大評価しており、単一生の進化モデルには使用すべきではない。