[論文レビュー] Wind properties of Wolf-Rayet stars at low metallicity: Sk41 (SMC)

P. A. Crowther|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、低金属量環境における唯一の既知の単一のワルフ＝レーティン星であるSk 41を、紫外線、可視光、近赤外線分光法を用いて分析し、低金属量における風の性質を特定することを目的としている。予想に反して、Sk 41の星像的パラメータ—有効温度 ~42,000 K、全放射光度 log(L/L☉) = 5.7、終端風速度 v∞ = 1300 km s⁻¹、質量損失率 ˙M/√f = 3×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹—は、銀河およびLMCにおける同等のWN星と一致しており、低Zにおける風の性質に顕著な金属量依存性がないことを示している。

ABSTRACT

The stellar properties of Sk41 (AB4, WN5h), the only known single Wolf-Rayet star in the SMC, are derived from ultraviolet (IUE), optical (AAT) and near-IR (NTT) spectroscopy. Contrary to expectations, the stellar properties of Sk41 are typical of equivalent WN stars in the Galaxy and LMC, with T=42kK, log(L/Lo)=5.7, v_inf=1300 km/s, Mdot/sqrt(f)=3x10^-5 Mo/yr and H/He=2 by number, where f is the volume filling factor. The stellar luminosity of Sk41 is 50% below the minimum value predicted by single star evolutionary models at the metallicity of the SMC. Emission line luminosities of HeII 4686A and CIV 5801-12A in SMC WR stars are not systematically lower than their Galactic and LMC counterparts. From 43 late-type and 59 early-type WN stars, log L(HeII)=36.0 erg/s and 35.8 erg/s respectively, while log L(CIV)=36.5 erg/s from 25 early-type WC stars. This new calibration has application in deriving WR populations in young starburst galaxies. Synthetic WN models are calculated with identical parameters except that metal abundances are varied. Following the Smith et al. WN classification scheme, CNO equilibrium models reveal that earlier spectral types are predicted at lower metallicity, i.e. WN3--4 at 0.04 Z(solar) versus WN6 at 1.0 Z(solar). This provides an explanation for the trend towards earlier WN spectral types at low metallicity.

研究の動機と目的

• 低金属量（Z ≈ 0.04 Z☉）における、SMCにのみ知られている単一のワルフ＝レーティン星Sk 41の星像的および風の性質を特定すること。
• 銀河およびLMCのような高金属量環境と比較して、ワルフ＝レーティン星の風の性質（質量損失率、終端速度、線輝度など）が系統的に異なるかどうかを検証すること。
• 若い星形成銀河における星族合成を改善するために、低金属量環境におけるWR星の発光線輝度（He ii λ4686およびC iv λλ5801–12）の補正を実施すること。
• 金属量がスペクトル型分類に与える影響を、さまざまな金属量で変化する合成WNスペクトルを用いてモデル化することで調査すること。
• 低金属量星形成銀河における既存のWR星族診断法の信頼性を、明確に制約された単一星の事例を用いて評価すること。

提案手法

• SMCの消光則を用いて前処理を行い、UV（IUE）、可視光（AAT/RGO）、近赤外線（NTT/SOFI）データを用いたSk 41の分光的分析。
• 非局所熱平衡、線幅のないモデル大気のフィッティング（Hillier & Miller 1998）を用いて、T∗、log(L/L☉)、v∞、˙M/√f、およびH/He比の星像的パラメータを導出。
• 銀河、LMC、SMCにおける43個の後期WN星、59個の初期WN星、25個の初期WC星の発光線輝度（He ii λ4686およびC iv λλ5801–12）を比較し、新たな補正を導出。
• 金属量を変化させた合成WNモデル計算を実施し、Smithらの分類法を用いて金属量がスペクトル型分類に与える影響を調査。
• 複数のデータセットにおけるHe ii λ4686およびC iv λ5801–12線のFWHM測定値を、共通の標準星を用いて解像度補正を施した。
• BouchetらのSMC消光則およびSIMBADデータベースを用いて、対象の特定およびクロスアイデンティフィケーションを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMCにおけるワルフ＝レーティン星は、銀河およびLMCのそれらと比較して顕著に異なる風の性質（例えば、質量損失率、終端速度）を示すか？
• RQ2 低金属量WR星におけるHe ii λ4686およびC iv λλ5801–12の発光線輝度は、高金属量環境と比較して系統的に低いか？
• RQ3 理論的モデルが予測するように、金属量がWN星のスペクトル型分類に顕著に影響を及ぼすか？
• RQ4 Sk 41の観測された性質は、SMCの低金属量環境下での単一星進化モデルと整合するか？
• RQ5 WR発光線の線幅（FWHM）は金属量に伴いどのように変化するか。また、これはスペクトル分類にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• Sk 41の星像的有効温度は ~42,000 K、全放射光度 log(L/L☉) = 5.7、終端風速度 v∞ = 1300 km s⁻¹、質量損失率 ˙M/√f = 3×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹であり、銀河およびLMCにおける同等のWN星と一致しており、低Zにおける風の性質に顕著な金属量依存性がないことを示している。
• Sk 41の星像的光度は、SMCの金属量における単一星進化モデルが予測する最小値の50%未満にとどまっており、進化的または観測的不一致を示唆している。
• SMCにおけるWR星のHe ii λ4686およびC iv λλ5801–12の発光線輝度は、銀河またはLMCのそれらと比較して系統的に低くない。初期WN星の平均 log Lλ(He ii) = 36.0 erg s⁻¹、初期WC星の平均 log Lλ(C iv) = 36.5 erg s⁻¹である。
• 合成WNモデルでは、金属量が低い（0.04 Z☉）環境では太陽金属量（WN6）と比較して、より初期のスペクトル型（WN3–4）が予測される。これは、低Z環境で観測される初期WN型への傾向を説明している。
• He ii λ4686の平均FWHMは、銀河での33 ÅからSMCでの25 Åに減少しているが、SMCのサンプルサイズが小さいため、風速の差に確実な結論を下すことはできない。
• 本研究は、低金属量環境におけるWR線輝度の新たな補正を提供しており、初期WN星では前例の20%高い平均値、後期WN星では30%低い平均値を示しており、星形成銀河における星族合成の推定値に最大2–3倍の影響を与える可能性がある。