[論文レビュー] The Properties of Fast Yellow Pulsating Supergiants: FYPS Point the Way to Missing Red Supergiants

Trevor Z. Dorn-Wallenstein, Emily M. Levesque+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 110被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、TESSの2分間隔の光曲線を用いて, ディスカウント・クラウドに36個の脈動する冷却超巨星を同定した。log L/L⊙ > 5.0—初期質量が約18–20 M⊙に相当する—のものは、急速なイエローパルサー超巨星（FYPS）である。FYPSは赤超巨星の後続進化段階を示す可能性が高く、脈動挙動は、より冷却された星では高周波数のpモードから、より高温の星では低周波数のgモードへと移行する。これは、内部構造のセイズミック的探査の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Fast yellow pulsating supergiants (FYPS) are a recently-discovered class of evolved massive pulsator. As candidate post-red supergiant objects, and one of the few classes of pulsating evolved massive stars, these objects have incredible potential to change our understanding of the structure and evolution of massive stars. Here we examine the lightcurves of a sample of 126 cool supergiants in the Magellanic Clouds observed by the Transiting Exoplanet Survey Satellite ( ess~) in order to identify pulsating stars. After making quality cuts and filtering out contaminant objects, we examine the distribution of pulsating stars in the Hertzprung-Russel (HR) diagram, and find that FYPS occupy a region above $\log L/L_\odot \gtrsim 5.0$. This luminosity boundary corresponds to stars with initial masses of $\sim$18-20 $M_\odot$, consistent with the most massive red supergiant progenitors of supernovae (SNe) II-P, as well as the observed properties of SNe IIb progenitors. This threshold is in agreement with the picture that FYPS are post-RSG stars. Finally, we characterize the behavior of FYPS pulsations as a function of their location in the HR diagram. We find low frequency pulsations at higher effective temperatures, higher frequency pulsations at lower temperatures, with a transition between the two behaviors at intermediate temperatures. The observed properties of FYPS make them fascinating objects for future theoretical study.

研究の動機と目的

• TESSの光曲線を用いて、マゼランスの超巨星の脈動する進化した大質量星を同定・特徴づけること。
• HR図上の位置を検討することで、急速なイエローパルサー超巨星（FYPS）が赤超巨星の後続状態（post-RSG）であるかどうかを特定すること。
• 有効温度および光度の関数としてFYPSの脈動挙動を調査し、内部構造および進化状態を推定すること。
• FYPSを用いたセイズミック的研究の可能性を評価し、大質量星の晩期進化を探査すること。
• 赤超巨星問題を解決するため、核崩壊前にpost-RSG状態に至る最小初期質量閾値を特定すること。

提案手法

• Neugent et al. (2010, 2012) の219個の冷却超巨星を対象とし、log L/L⊙ > 4 を満たし、Gaia DR2のアストロメトリーでマゼランスに所属していることを確認し、TESSの視等級がT = 4からT = 12の間であるものを選別した。
• 機器的および混入効果を除去するため、TESSの光曲線に品質カットを適用した。これには、系統的ノイズおよび近接星の混入が含まれる。
• フーリエ解析およびピリオドグラム技術を用いて、候補星の光曲線における脈動モードの検出および特徴づけを行った。
• 近赤外光度測定およびGaiaデータから導かれた有効温度（log Teff）および光度（log L/L⊙）を用いて、HR図上に脈動星をマッピングした。
• HR図におけるクラスタリングの統計的有意性を検証するため、ブートストラップリサンプリングを実施し、ランダムな混入が原因でないことを排除した。
• 温度依存の星の構造に基づき、対流層の有無と関連した脈動モード遷移（pモードからgモード支配への移行）を説明する物理的モデルを提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速なイエローパルサー超巨星（FYPS）は、赤超巨星の後続進化段階を示すHR図上の明確な領域を占めているか？
• RQ2 FYPSが観測される光度閾値（log L/L⊙）は何か？ これは、既知のType II-P超新星の前身星に相当する初期質量範囲と一致するか？
• RQ3 FYPSの脈動周波数およびモード構造は、有効温度にどのように依存するか？ これは内部構造にどのような含意を持つのか？
• RQ4 FYPSの観測された脈動挙動は、対流層におけるpモードと放射性内部におけるgモードが結合した混合モード振動によって説明可能か？
• RQ5 FYPSは、進化した大質量星の内部構造を探査するためのセイズミック的研究の対象として、どの程度有効か？

主な発見

• 確認済みのマゼランスの冷却超巨星126個中、36個が脈動星として同定され、そのうち12個がlog L/L⊙ > 5.0に位置し、急速なイエローパルサー超巨星（FYPS）として分類された。
• FYPSはlog L/L⊙ ≳ 5.0以上にのみ存在し、初期質量が約18–20 M⊙に相当する。これは、Type II-P超新星の前身星に推定される質量限界と一致する。
• 脈動挙動は、冷却されたFYPS（Teff < ~5500 K）では高周波数のpモードから、高温のFYPS（Teff > ~5500 K）では低周波数のgモードへと移行する。これは、外層が放射性になる段階と一致する。
• 約5500 Kでの遷移は、対流層が縮小し、放射性領域が形成される温度と一致しており、外層が放射性になるとgモードが表面に到達可能になることを示唆している。
• 観測された脈動周波数は、赤超巨星の後続モデルにおけるgモードの伝播と整合的であり、pモードとgモードのキャビティの間の薄い急減少層は、混合モード振動の可能性を支持する。
• 本研究の結論として、FYPSはおそらくpost-RSG対象であり、その脈動は、対流核から表面までの大質量星の内部構造をセイズミック的に探査するための貴重な機会を提供する。