[論文レビュー] The nature of B supergiants: clues from a steep drop in rotation rates at 22000 K. The possibility of Bi-stability braking

J. S. Vink, I. Brott+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 19被引用数 56

ひとこと要約

この論文は、約22,000 KにおけるB超巨星の回転速度の急激な低下が、二重安定性ブレーキング（BSB）によって引き起こされるものであると提案している。BSBとは、二重安定性ジャンプ付近で質量放出が増加することで角運動量損失が増加し、回転が遅くなるプロセスである。このメカニズムは星の進化モデルによって裏付けられており、やや冷たいB超巨星の遅い回転を物理的に説明するものであり、大質量星進化における長年の未解決問題を解消する可能性を秘めている。

ABSTRACT

The location of B supergiants in the Hertzsprung-Russell diagram (HRD) represents a long-standing problem in massive star evolution. Here we propose their nature may be revealed utilising their rotational properties, and we highlight a steep drop in massive star rotation rates at an effective temperature of 22000 K. We discuss two potential explanations for it. On the one hand, the feature might be due to the end of the main sequence, which could potentially constrain the core overshooting parameter. On the other hand, the feature might be the result of enhanced mass loss at the predicted location of the bi-stability jump. We term this effect "bi-stability breaking" and discuss its potential consequences for the evolution of massive stars.

研究の動機と目的

• B超巨星の進化状態に関する長年の問題を解決すること、特にそれが大質量であるにもかかわらずなぜ回転が遅いのかを解明すること。
• 観測された約22,000 Kにおける回転速度の急激な低下が、中心水素燃焼（主系列）の結果か、それとも主系列後進化の結果かを調査すること。
• 二重安定性ジャンプにおける質量放出の増加が顕著な角運動量損失を引き起こし、これを「二重安定性ブレーキング（BSB）」と呼ぶ仮説を検証すること。
• BSBが異なる質量および金属量のB超巨星の回転特性をどのように説明できるかを特定すること。
• BSBが大質量星進化モデルにおけるコアオーバーシュートパラメータと青超巨星対赤超巨星比に与える影響を評価すること。

提案手法

• 40 M☉の星の進化を模擬するために、回転と質量放出を組み込んだ星の進化モデルが用いられ、約22,000 Kにおける二重安定性ジャンプに起因する質量放出を組み込んだ。
• 風駆動による角運動量輸送を含み、Vinkら（1999）の予測に従い、二重安定性ジャンプ付近で質量放出率を5〜7倍に増加させた。
• 観測的確認（Crowther ら 2006）に一致するように、二重安定性ジャンプ付近で終端風速度を約2倍に低減した。
• 表面回転速度の進化を、二重安定性ジャンプを含むモデルと含まないモデルとで比較し、BSBの表面回転への影響を分離した。
• 標準モデルにおけるBSBの臨界質量閾値（α_ov = 0.335のとき≥30 M☉）は、コアオーバーシュートパラメータα_ovを変化させることで特定した。
• α_ovを0.5に増加させることで、BSBがより低い質量（例：20 M☉）に対しても有効であることをテストし、モデル依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜB超巨星は約22,000 Kで回転速度が急激に低下するのか。この特徴の背後にある物理的メカニズムは何か。
• RQ2 二重安定性ジャンプに起因する質量放出の増加が、観測されたやや冷たいB超巨星の遅い回転を、強化された角運動量損失によって説明できるか。
• RQ3 二重安定性ブレーキング（BSB）はコアオーバーシュートパラメータα_ovにどの程度依存するのか。これは予測される進化軌道にどのような影響を及えるか。
• RQ4 22,000 Kにおける観測された回転速度の低下は、主系列星と主系列後星の二重性を持つ集団によるものか、それとも連続的なブレーキングメカニズムによるものか。
• RQ5 BSBはB超巨星の進化状態にどのような影響を及えるのか。特に、コア水素燃焼段階にあるかどうか、および青超巨星対赤超巨星比の解釈に与える影響は。

主な発見

• 約22,000 Kにおける回転速度の急激な低下は、予測された二重安定性ジャンプの位置と強く相関しており、二重安定性ブレーキング（BSB）の仮説を支持する。
• 二重安定性ジャンプを含むモデルでは、約22,000 Kで角運動量損失が強化され、表面回転速度が著しく低下するが、ジャンプを含まないモデルではそのような低下は観測されない。
• 標準モデル（α_ov = 0.335）では、BSBは初期質量が≥30 M☉の星にのみ有効であり、この効果の質量閾値が存在することを示している。
• コアオーバーシュートパラメータα_ovを0.5に増加させると、BSBはより低い質量（例：20 M☉）に対しても有効になることが示され、この効果がモデル依存であることを示している。
• BSBメカニズムは、やや冷たいB超巨星が遅く回転する理由を説明でき、長年の曖昧さ（主系列か主系列後か）を解消する可能性を秘めている。
• もしBSBが約10 M☉まで作用するならば、現在の制約よりもはるかに大きなα_ovを示唆し、大質量星進化モデルや青超巨星対赤超巨星比の解釈に広範な影響を及ぼすだろう。