[論文レビュー] The Wolf-Rayet stars in M31: I. Analysis of the late-type WN stars

A. A. C. Sander, H. Todt+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、高分解能の光学スペクトルおよび光度測定を用いて、M31における17個の後期型WN星を分析し、高度なポツダムWolf-Rayetモデル大気を適用して星間および風のパラメータを導出している。全星が10⁵から10⁶ L☉の明るさの範囲にあり、10⁶ L☉を超える星は存在しない。星形成の初期質量は20–60 M☉の単一星進化によって起こった可能性が高く、M31のわずかに高い金属量を考慮しても、銀河系およびLMCの傾向と一致している。

ABSTRACT

Context: Comprehensive studies of Wolf-Rayet stars were performed in the past for the Galactic and the LMC population. The results revealed significant differences, but also unexpected similarities between the WR populations of these different galaxies. Analyzing the WR stars in M31 will extend our understanding of these objects in different galactic environments. Aims: The present study aims at the late-type WN stars in M31. The stellar and wind parameters will tell about the formation of WR stars in other galaxies with different metallicity and star formation histories. The obtained parameters will provide constraints to the evolution of massive stars in the environment of M31. Methods: We used the latest version of the Potsdam Wolf-Rayet model atmosphere code to analyze the stars via fitting optical spectra and photometric data. To account for the relatively low temperatures of the late WN10 and WN11 subtypes, our WN models have been extended into this temperature regime. Results: Stellar and atmospheric parameters are derived for all known late-type WN stars in M31 with available spectra. All of these stars still have hydrogen in their outer envelopes, some of them up to 50% by mass. The stars are located on the cool side of the zero age main sequence in the Hertzsprung-Russell diagram, while their luminosities range from $10^5$ to $10^6$ Lsun. It is remarkable that no star exceeds $10^6$ Lsun. Conclusions: If formed via single-star evolution, the late-type WN stars in M31 stem from an initial mass range between 20 and 60 Msun. From the very late-type WN9-11 stars, only one star is located in the S Doradus instability strip. We do not find any late-type WN stars with the high luminosities known in the Milky Way.

研究の動機と目的

• 高品質な光学スペクトルおよび光度データを用いて、M31の後期型WN星の星間および風のパラメータを特定すること。
• 理論的モデルと比較することで、これらの星の進化的起源を調査すること、特に初期質量および金属量の影響に焦点を当てる。
• M31に非常に明るいWR星が存在しないのは、選択バイアスのためか、星形成歴および金属量の本質的差異のためかを評価すること。
• M31の後期型WN星の化学組成および進化状態を、銀河系およびLMCのものと比較すること。
• 同じWN型における観測された明るさの散らばりを考慮して、標準的な型番号マグニチュード校正の適用可能性を評価すること。

提案手法

• 最新版のポツダムWolf-Rayetモデル大気コードを用いて、M31の後期型WN星の観測光学スペクトルにフィットさせた。
• WN10およびWN11型に特徴的な低温領域をカバーするようにモデルグリッドを拡張し、これまでは十分にカバーされていなかった領域を含めた。
• スペクトルフィッティングとLocal Group Galaxy Survey (LGGS) の光度データを組み合わせ、明るさおよび効果的温度の制約を強化した。
• M31までの距離（0.77 Mpc）が既知であるため、クラスターメンバーシップや距離推定の不確実性に依存せずに絶対明るさを導出した。
• 窒素線プロファイルのフィッティングにより表面組成および金属量を推定し、銀河系およびLMCの標準と比較した。
• Genevaグループ（Z = 0.014）の進化トレースおよび他のモデルを用いて、観測されたHR図上の位置と整合性があるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M31の後期型WN星の明るさ範囲および初期質量は何か？ また、銀河系およびLMCのそれらと比較するとどうなるか？
• RQ2 M31の後期型WN星の観測パラメータは、単一星進化を支持するものか？ もしくは、最も明るさが小さい対象を説明するには二重星相互作用が必要か？
• RQ3 M31に明るいWR星（L > 10⁶ L☉）が存在しないのは、本質的な欠如によるものか、観測的選択バイアスのためか？
• RQ4 M31の後期型WN星の化学組成および表面組成は、銀河系およびLMCのそれらと比較してどう異なるか？
• RQ5 これらの星のHR図上の位置は、太陽または太陽に近い金属量を仮定した標準的進化モデルで説明可能か？

主な発見

• M31の17個の後期型WN星すべてが、10⁵から10⁶ L☉の明るさの範囲にあり、10⁶ L☉を超える星は存在しない。
• 星はHR図においてゼロ・エイジ主系列の冷たい側に位置しており、ヘリウム核燃焼の最終段階にないことが示唆される。
• 単一星進化によって形成された場合、初期質量の範囲は20–60 M☉と推定されるが、二重星進化が関与する可能性がある場合、下限はやや高くなる可能性がある。
• スペクトルフィットの結果、M31の星の化学組成は、銀河系のそれと一致しており、金属量（log(O/H)+12 ≈ 8.93）は太陽系近辺と同程度であり、顕著に高くないことが示された。
• S Doradus不安定帯内にあるのはWN10 #148の1つの星にとどまり、残りの星は現在LBVに似た爆発的噴出を経験していないと考えられる。
• 同じWN型内での明るさの散らばりは、単純なマグニチュードベースの型番号校正の使用を疑問視させるものであり、顕著な内在的変動性または進化の違いがある可能性を示している。