[논문 리뷰] Mass-loss rates and luminosity functions of dust-enshrouded AGB stars and red supergiants in the LMC

JT van Loon, M. A. T. Groenewegen외 6명|arXiv (Cornell University)|1999. 09. 24.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 대량은하단의 57개의 먼지로 둘러싸인 AGB 항성과 붉은 초거성에 대해 ISO 및 지상 기반 적외선 데이터의 복사열전달 모델링을 사용하여 질량 손실률과 볼로메트릭 휘도를 유도한다. 연구에서는 AGB 항성과 RSG를 분리하는 휘도 갭(M_bol ≈ -7.5 mag)을 발견하였으며, 질량 손실률은 10⁻⁷에서 10⁻³ M⊙ yr⁻¹의 범위를 가지며, 특히 RSG와 진화한 AGB 항성에서 다중 산란으로 인해 복사동량 한계를 초월하는 짧고 반복적인 강한 질량 손실 단계가 발생함을 보여준다.

ABSTRACT

A radiative transfer code is used to model the spectral energy distributions of 57 mass-losing Asymptotic Giant Branch (AGB) stars and red supergiants (RSGs) in the Large Magellanic Cloud (LMC) for which ISO spectroscopic and photometric data are available. As a result we derive mass-loss rates and bolometric luminosities. A gap in the luminosity distribution around M_bol = -7.5 mag separates AGB stars from RSGs. The luminosity distributions of optically bright carbon stars, dust-enshrouded carbon stars and dust-enshrouded M-type stars have only little overlap, suggesting that the dust-enshrouded AGB stars are at the very tip of the AGB and will not evolve significantly in luminosity before mass loss ends their AGB evolution. Derived mass-loss rates span a range from Mdot about 10^-7 to 10^-3 M_sun/yr. More luminous and cooler stars are found to reach higher mass-loss rates. The highest mass-loss rates exceed the classical limit set by the momentum of the stellar radiation field, L/c, by a factor of a few due to multiple scattering of photons in the circumstellar dust envelope. Mass-loss rates are lower than the mass consumption rate by nuclear burning, Mdot_nuc, for most of the RSGs. Two RSGs have Mdot >> Mdot_nuc, however, suggesting that RSGs shed most of their stellar mantles in short phases of intense mass loss. Stars on the thermal pulsing AGB may also experience episodes of intensified mass loss, but their quiescent mass-loss rates are usually already higher than Mdot_nuc.

연구 동기 및 목표

• 적외선 SED를 사용하여 대량은하단(LMC)의 먼지로 둘러싸인 AGB 항성과 붉은 초거성의 질량 손실률과 볼로메트릭 휘도를 정량화한다.
• 휘도 함수 분석을 통해 AGB 항성과 RSG 간의 진화적 차이를 규명한다.
• 질량 손실률이 복사동량 한계(L/c)를 초과하는지 확인하고, 다중 산란이 바람을 이끄는 데서 수행하는 역할을 평가한다.
• 질량 손실률, 휘도, 유효 온도, 핵반응 질량 소모율 간의 관계를 조사한다.
• 탄소-rich 및 산소-rich AGB 항성의 진화 상태를 그들의 휘도 분포와 질량 손실 행동을 분석하여 명확히 한다.

제안 방법

• ISO 분광 및 광도 데이터를 사용하여 대량은하단의 57개 AGB 항성과 RSG의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 모델링하기 위해 구형 대칭 복사열전달 코드를 적용하였다.
• 관측된 적외선 SED와 물리적 파rameter를 유도하기 위해 항성 SED, 먼지 입자 광학적 성질, CSE 기하구조를 입력 파rameter로 사용하였다.
• LMC의 알려진 거리와 SED 피팅으로 유도된 유효 온도를 사용하여 볼로메트릭 휘도를 校정하였다.
• 유도된 질량 손실률을 복사동량 한계(L/c)와 핵질량 소모율(Ṁ_nuc)과 비교하여 바람의 구동 메커니즘과 진화적 의미를 평가하였다.
• 화학 조성(산소-rich 대비 탄소-rich)과 스펙트럼 유형으로 항성을 분류하여 휘도 및 질량 손실 추세를 분석하였다.
• 관측된 질량 손실률과 단일 산란 한계를 비교하여 다중 산란이 동량 전달을 강화하는 데서 수행하는 역할을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지로 둘러싸인 AGB 항성과 붉은 초거성의 볼로메트릭 휘도 분포는 어떻게 되며, 두 집단 간에 명확한 분리가 이루어지는가?
• RQ2 AGB 항성과 RSG에서 질량 손실률은 휘도와 유효 온도에 따라 어떻게 변화하며, 관측된 추세를 이끄는 요인은 무엇인가?
• RQ3 관측된 질량 손실률은 복사동량 한계(L/c)와 일치하는가, 아니면 다중 산란이 설명하기 위해 필요하는가?
• RQ4 질량 손실률과 핵반응에 의한 질량 소모율(Ṁ_nuc) 간의 관계는 무엇이며, 이는 RSG의 진화 상태에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 빛나는 탄소 항성이 AGB의 정점 근처에서 최후의 열맥동과 HBB의 종료에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 먼지로 둘러싸인 AGB 항성과 RSG의 휘도 분포는 M_bol ≈ -7.5 mag에서 명백한 갭을 보이며, 이는 AGB 항성과 RSG 집단을 분리한다.
• 질량 손실률은 약 10⁻⁷에서 10⁻³ M⊙ yr⁻¹의 넓은 범위를 가지며, 더 높은 휘도와 낮은 온도를 가진 항성에서 더 높은 비율을 보인다.
• 일부 경우에서 질량 손실률은 복사동량 한계(L/c)를 몇 배 초과하며, 이는 먼지로 둘러싸인 별주변 환경에서 광자의 다중 산란이 발생함을 뒷받침하는 증거이다.
• 핵질량 소모율(Ṁ_nuc)을 크게 초월하는 질량 손실률을 보이는 RSG는 희귀하지만 존재하며, 이는 짧은 기간 동안 강한 질량 손실 단계가 발생함을 시사한다.
• 먼지로 둘러싸인 AGB 항성의 질량 손실률은 항상 Ṁ_nuc를 초과하며, 이는 침체기 단계에서도 질량 손실이 진화의 주요 추진력임을 시사한다.
• 더 늦은 스펙트럼 하위유형(낮은 온도)과 높은 휘도를 가진 항성에서 질량 손실률이 더 크며, 이는 유효 온도와 휘도에 강한 의존성을 보임을 나타낸다.