[論文レビュー] X-Shooting ULLYSES: Massive stars at low metallicity. III. Terminal wind speeds of ULLYSES massive stars

C. Hawcroft, H. Sana+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ULLYSES調査のハッブル宇宙望遠鏡UV分光計測データを用いて、大マジellan銀河および小マジランド銀河内の186個の質量の大きな星の端末風速（$v_\infty$）を測定した。$v_\infty$と表面脱出速度の間に線形関係が見られ、LMCでは$v_\infty/v_{\text{esc}} = 2.4 \pm 0.4$、SMCでは$2.0 \pm 0.6$であった。また、金属量依存性として$v_\infty \propto Z^{0.22 \pm 0.03}$が得られ、最近のモデルと整合的であった。

ABSTRACT

The winds of massive stars have an impact on stellar evolution and on the surrounding medium. The maximum speed reached by these outflows, the terminal wind speed, is a global wind parameter and an essential input for models of stellar atmospheres and feedback. With the arrival of the ULLYSES programme, a legacy UV spectroscopic survey with HST, we have the opportunity to quantify the wind speeds of massive stars at sub-solar metallicity (in the Large and Small Magellanic Clouds, 0.5Z and 0.2Z) at an unprecedented scale. We empirically quantify the wind speeds of a large sample of OB stars, including supergiants, giants, and dwarfs at sub-solar metallicity. Using these measurements, we investigate trends of terminal wind speed with a number of fundamental stellar parameters, namely effective temperature, metallicity, and surface escape velocity. We empirically determined the terminal wind speed for a sample of 149 OB stars in the Magellanic Clouds either by directly measuring the maximum velocity shift of the absorption component of the Civ 1548-1550 line profile, or by fitting synthetic spectra produced using the Sobolev with exact integration method. Stellar parameters were either collected from the literature, obtained using spectral-type calibrations, or predicted from evolutionary models. We find strong trends of terminal wind speed with effective temperature and surface escape speed when the wind is strong enough to cause a saturated P Cygni profile in Civ 1548-1550. We find evidence for a metallicity dependence on the terminal wind speed proportional to Z^0.22+-0.03 when we compared our results to previous Galactic studies. Our results suggest that effective temperature rather than surface escape speed should be used as a straightforward empirical prediction of terminal wind speed and that the observed metallicity dependence is steeper than suggested by earlier works.

研究の動機と目的

• LMCおよびSMCにおける太陽系外の金属量の星の質量の大きな星の端末風速（$v_\infty$）を経験的に定量すること。
• $v_\infty$が脱出速度、効果的温度、金属量といった星のパラメータにどのように依存するかを調査すること。
• 経験的傾向を理論的予測と比較し、$v_\infty$推定法の信頼性を評価すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡の高分解能UV分光計測データから、C IV λ1548–1550共振双極子のブルー側エッジを用いて$v_\infty$を測定した。
• 合成分光計測のグリッドとプロファイルフィッティングを用いて、LMCおよびSMCの186個のOB星の$v_\infty$を導出した。
• 発展的トレースから得られた星の質量および半径推定値から、表面脱出速度（$v_{\text{esc}}$）を計算した。
• 線形回帰を用いて、$v_\infty$と$v_{\text{esc}}$、効果的温度、金属量との間の傾向を分析した。
• RMS（平均二乗誤差）残差を用いて、$v_\infty$推定法の信頼性を評価するため、傾向の散らばりを評価した。
• 結果を理論的モデルおよび先行研究と比較し、金属量依存性を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低金属量の質量の大きな星において、端末風速（$v_\infty$）と表面脱出速度（$v_{\text{esc}}$）の経験的関係は何か？
• RQ2 $v_\infty$は効果的温度にどのように依存するか。また、$v_{\text{esc}}$と比較して、温度の方がより信頼性の高い推定要因であるか？
• RQ3 $v_\infty$の金属量依存性は何か。理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 $v_\infty$測定値の散らばりは、異なる星のパラメータにどのように依存するか。どのパラメータが最も正確な推定をもたらすか？

主な発見

• 大マジランド銀河（LMC）では端末風速と表面脱出速度の平均比が$v_\infty / v_{\text{esc}} = 2.4 \pm 0.4$、小マジランド銀河（SMC）では$2.0 \pm 0.6$であった。
• $v_\infty$対$v_{\text{esc}}$関係の散らばりは、$v_\infty$対効果的温度関係よりも大きい。LMCではそれぞれRMSが278 km s⁻¹および351 km s⁻¹であった。
• $v_\infty$対効果的温度関係は、より小さい散らばりを示し、LMCではRMSが237 km s⁻¹、SMCでは477 km s⁻¹であった。これは、温度が$v_{\text{esc}}$よりも$v_\infty$の予測に信頼性が高いことを示している。
• 金属量依存性として$v_\infty \propto Z^{0.22 \pm 0.03}$が得られ、RMSの散らばりは305 km s⁻¹であった。これは理論的予測の$Z^{0.13}$よりも急峻であるが、Vink & Sander（2021）の最近のモデルと整合的であった。
• 低温度域（21 kK未満）では、サンプルサイズが不足しているため、$v_\infty / v_{\text{esc}}$に顕著な傾向は認められなかった。
• 密度の高い風を示す星に対して、結果は最も信頼性が高い。低密度風星（例：質量放出率が低い星）への応用は、まだ不確実性を伴う。