[論文レビュー] The Wolf-Rayet stars in the Large Magellanic Cloud: A comprehensive analysis of the WN class

R. Hainich, U. Rühling+7 more|Jan 21, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 131被引用数 83

ひとこと要約

本研究では、ポツダム・ウォルフ・ライター（PoWR）モデル大気コードを用いて、大マゼラン雲（LMC）に知られているほぼすべてのWN型ウォルフ＝レイター星について、包括的な分光的解析を実施した。合成スペクトルを紫外線および可視光データにフィットさせることで、単一のWN星の88％が、log(L/L☉) = 5.3–5.8 の範囲にあり、水素含有量が低く、赤超巨星段階を経て進化したことを示している。一方、残りの12％は非常に高い光度を持ち、顕著な水素を含んでおり、非常に高い初期質量から来ている可能性がある。

ABSTRACT

Aims: Following our comprehensive studies of the WR stars in the Milky Way, we now present spectroscopic analyses of almost all known WN stars in the LMC. Methods: For the quantitative analysis of the wind-dominated emission-line spectra, we employ the Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. By fitting synthetic spectra to the observed spectral energy distribution and the available spectra (ultraviolet and optical), we obtain the physical properties of 107 stars. Results: We present the fundamental stellar and wind parameters for an almost complete sample of WN stars in the LMC. Among those stars that are putatively single, two different groups can be clearly distinguished. While 12% of our sample are more luminous than 10^6 Lsun and contain a significant amount of hydrogen, 88% of the WN stars, with little or no hydrogen, populate the luminosity range between log (L/Lsun) = 5.3...5.8. Conclusions: While the few extremely luminous stars (log (L/Lsun) > 6), if indeed single stars, descended directly from the main sequence at very high initial masses, the bulk of WN stars have gone through the red-supergiant phase. According to their luminosities in the range of log (L/Lsun) = 5.3...5.8, these stars originate from initial masses between 20 and 40 Msun. This mass range is similar to the one found in the Galaxy, i.e. the expected metallicity dependence of the evolution is not seen. Current stellar evolution tracks, even when accounting for rotationally induced mixing, still partly fail to reproduce the observed ranges of luminosities and initial masses. Moreover, stellar radii are generally larger and effective temperatures correspondingly lower than predicted from stellar evolution models, probably due to subphotospheric inflation.

研究の動機と目的

• 大マゼラン雲（LMC）に知られているほぼすべてのWN型ウォルフ＝レイター星について、包括的な分光的解析を実施すること。
• 高度なモデル大気技術を用いて、星の基本的パラメータおよび風のパラメータを特定すること。
• LMCにおけるWN星の進化経路を調査し、星の進化モデルの予測と比較すること。
• 金属量の影響が、WN星の観測された性質に及ぼす影響、特に銀河系と比較して評価すること。
• 現在の星の進化軌道、回転混合を含めて、観測された光度および質量分布を再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 風支配の発光線スペクトルを解析するために、ポツダム・ウォルフ・ライター（PoWR）モデル大気コードを採用した。
• 合成スペクトルを観測されたスペクトルエネルギー分布（SED）およびフラックスキャリブレートされた紫外線および可視光スペクトルにフィットさせた。
• 導出されたパラメータの正確性を向上させるために、鉄線のブランケット効果および風中のマイクロクラッピングをモデルに組み込んだ。
• 絶対光度を導出するために、距離モジュラス（DM = 18.5 mag）および低減光（E(B-V) < 0.25 mag）を適用した。
• スペクトルデータが限られる星については、可視光帯域フィルター、2MASS、IRAC機器からの光度測定を分析した。
• 理論的モデル（回転混合を含むものも含む）と結果を比較し、進化軌道との整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LMCのほぼ完全なWN星サンプルにおける星の基本的パラメータおよび風のパラメータは何か？
• RQ2 LMCのWN星の光度および水素含有量は、現在の星の進化モデルの予測とどのように異なるか？
• RQ3 LMCにおけるWN星の観測された分布が、金属量依存の進化をどの程度反映しているか。特に、銀河系と比較して。
• RQ4 なぜ観測された星の半径および効果的温度がモデル予測から逸脱しているのか。その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ5 回転混合を含む現在の星の進化モデルは、LMCにおけるWN星の観測された光度範囲を再現できるか？

主な発見

• 本分析では、LMCのWN星107個をカバーし、このクラスのほぼ完全なサンプルが得られた。
• 単一WN星の88％が、log(L/L☉) が5.3から5.8の間であり、水素がほとんどないかまったくないことを示しており、赤超巨星段階を経て進化したことを示している。
• サンプルの12％は10⁶ L☉より高い光度を持ち、顕著な水素を含んでおり、非常に高い初期質量（>40 M☉）から来ている可能性がある。
• 星の半径は一般的に予測より大きく、効果的温度は予測より低く、これはおそらく準表面の膨張（subphotospheric inflation）に起因する。
• 回転混合を含んでも、現在の星の進化軌道は、観測された光度および初期質量範囲を完全には再現できない。
• LMCでは金属量の依存性が明確に観測されていない。金属量が低い（Z ≈ 0.4 Z☉）にもかかわらず、WN星の大部分の初期質量範囲（20–40 M☉）は、銀河系と同程度である。