[論文レビュー] Wind properties of variable B supergiants

M. Haucke, L. S. Cidale+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 106被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、非局所熱平衡（non-LTE）の合成ラインプロファイルフィッティングをFAST-WINDコードを用いて19個の銀河系B型超巨星の風の変動を調査し、6日以上の周期を示す径方向パルセーションが質量放出変動を駆動している可能性が示された。主な発見として、10〜100日スケールの光度的・スペクトロスコピック変動と質量放出アモプリンチュドの新たな経験的相関関係が特定され、また、二重安定性ジャンプの冷たい側に位置する星では、質量放出率が同程度または低くてもV∞/Vescが著しく低下していることが示され、風のクラッティングやイオン化効果が強化されている可能性が示唆された。

ABSTRACT

Context. Variable B supergiants (BSGs) constitute a heterogeneous group of stars with complex photometric and spectroscopic behaviours. They exhibit mass-loss variations and experience different types of oscillation modes, and there is growing evidence that variable stellar winds and photospheric pulsations are closely related. Aims. To discuss the wind properties and variability of evolved B-type stars, we derive new stellar and wind parameters for a sample of 19 Galactic BSGs by fitting theoretical line profiles of H, He, and Si to the observed ones and compare them with previous determinations. Methods. The synthetic line profiles are computed with the non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) atmosphere code FASTWIND, with a β-law for hydrodynamics. Results. The mass-loss rate of three stars has been obtained for the first time. The global properties of stellar winds of mid/late B supergiants are well represented by a β-law with β > 2. All stars follow the known empirical wind momentum–luminosity relationships, and the late BSGs show the trend of the mid BSGs. HD 75149 and HD 99953 display significant changes in the shape and intensity of the Hα line (from a pure absorption to a P Cygni profile, and vice versa). These stars have mass-loss variations of almost a factor of 2.8. A comparison among mass-loss rates from the literature reveals discrepancies of a factor of 1 to 7. This large variation is a consequence of the uncertainties in the determination of the stellar radius. Therefore, for a reliable comparison of these values we used the invariant parameter Qr. Based on this parameter, we find an empirical relationship that associates the amplitude of mass-loss variations with photometric/spectroscopic variability on timescales of tens of days. We find that stars located on the cool side of the bi-stability jump show a decrease in the ratio V∞∕Vesc, while their corresponding mass-loss rates are similar to or lower than the values found for stars on the hot side. Particularly, for those variable stars a decrease in V∞∕Vesc is accompanied by a decrease in Ṁ. Conclusions. Our results also suggest that radial pulsation modes with periods longer than 6 days might be responsible for the wind variability in the mid/late-type. These radial modes might be identified with strange modes, which are known to facilitate (enhanced) mass loss. On the other hand, we propose that the wind behaviour of stars on the cool side of the bi-stability jump could fit with predictions of the δ−slow hydrodynamics solution for radiation-driven winds with highly variable ionization.

研究の動機と目的

• 合成ラインプロファイルフィッティングを用いて、19個の銀河系B超巨星の正確な星像的・風パラメータを導出すること。
• 進化したB型星における光球面パルセーションと変動風の関係を調査すること。
• 星の半径推定値の不確実性に依存しないように、質量放出率の決定に不変パラメータQrを導入することで、質量放出率の決定に生じる矛盾を解消すること。
• 特にV∞/Vescと質量放出率に及ぼす二重安定性ジャンプの影響を調査すること。
• 中〜後期B超巨星における風変動を引き起こすパルセーションモードを同定すること。

提案手法

• 風速度構造にβ則を用い、非局所熱平衡大気コードFAST-WINDを用いてH、He、Siの合成ラインプロファイルを計算した。
• 観測スペクトルに合成プロファイルをフィットさせることで、星像的および風パラメータ（Teff、log g、β、Ṁ、V∞、微乱流速度、巨乱流速度、Vsin i、R⋆）を導出した。
• 質量放出率の正規化と半径推定値の依存性低減のため、不変パラメータQr = Ṁ × V∞ × R⋆⁻¹を用いた。
• 風運動量-光度関係（WLR）をサンプル全体に適用し、風モデルの一貫性を検証した。
• Hαラインプロファイルの変動（P Cygni型 vs. 吸収型）を分析し、時間的変化に伴う質量放出率の変化を定量化した。
• 文献値および新規フィッティングから得たパルセーション周期と風変動を関連付け、駆動モードを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中〜後期B超巨星における径方向パルセーションモードと風変動の関係は何か？
• RQ2 異なる観測トレーサーから導かれる質量放出率はどのように比較できるか。また、文献に見られる大きな乖離の原因は何か？
• RQ3 二重安定性ジャンプ付近での風特性（特にV∞/VescとṀ）はどのように変化するのか。観測された傾向を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 星の半径推定値の不確実性が存在する中でも、不変パラメータQrを用いることで、異なる研究間での質量放出率の信頼性ある比較が可能になるか？
• RQ5 奇妙モードパルセーションは、進化したB超巨星における時間的変動する質量放出を駆動する役割を果たしているのか？

主な発見

• 本研究では、サンプル内の3個のB超巨星について初めて質量放出率が導出され、このクラスのパラメータカバレッジが向上した。
• すべての中〜後期B超巨星はβ > 2を示し、急速に加速された風を有しており、すべてが経験則的風運動量-光度関係を満たしている。
• HD 75149およびHD 99953では、Hαプロファイルが純粋な吸収型からP Cygni型へ、再び吸収型へと変化しており、時間的変化に伴い質量放出率が約2.8倍変動していることが示された。
• 不変パラメータQrを用いることで、10日スケールの光度的・スペクトロスコピック変動と質量放出変動のアモプリンチュドを結ぶ新たな経験的関係が発見された。
• 二重安定性ジャンプの冷たい側に位置する星では、質量放出率がホットサイドの星と同等または低いにもかかわらず、V∞/Vescが顕著に低下（約2.6から約1.3に）しており、風のクラッティングやイオン化効果が強化されている可能性が示唆された。
• 冷たい側におけるV∞/Vescの低下はṀの低下と相関しており、非定常放射駆動風モデルの予測と一致するように、強化された風クラッティングやイオン化効果（例：δ−slow流体力学）が関与している可能性がある。