[논문 리뷰] New predictions for radiation-driven, steady-state mass-loss and wind-momentum from hot, massive stars II. A grid of O-type stars in the Galaxy and the Magellanic Clouds

R. Björklund, J. O. Sundqvist외 2명|Lirias (KU Leuven)|2020. 08. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 62인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 은하계 및 대애니메이션은은하의 O형 항성에 대해 일관된 정 steady-state 복사력에 의한 바람 모델의 격자를 제시하며, 공동 운동 프레임(CMF) 비국소 열역학 평형(NLTE) 복사 전달을 사용하여 질량 손실률과 바람 운동량률을 계산한다. 질량 손실률은 $\dot{M} \sim L_*^{2.2}$ 와 $\dot{M} \sim Z_*^{0.95}$ 로 스케일링되며, 일반적으로 별의 진화 모델에서 사용되는 것보다 체계적으로 2~3배 낮게 나타나며, 이 낮은 비율이 덩어리진 바람 보정 관측과 더 잘 일치함을 발견한다.

ABSTRACT

Reliable predictions of mass-loss rates are important for massive-star evolution computations. We aim to provide predictions for mass-loss rates and wind-momentum rates of O-type stars, carefully studying the behaviour of these winds as functions of stellar parameters like luminosity and metallicity. We use newly developed steady-state models of radiation-driven winds to compute the global properties of a grid of O-stars. The self-consistent models are calculated by means of an iterative solution to the equation of motion using full NLTE radiative transfer in the co-moving frame to compute the radiative acceleration. In order to study winds in different galactic environments, the grid covers main-sequence stars, giants and supergiants in the Galaxy and both Magellanic Clouds. We find a strong dependence of mass-loss on both luminosity and metallicity. Mean values across the grid are $\dot{M}\sim L_{\ast}^{2.2}$ and $\dot{M}\sim Z_{\ast}^{0.95}$, however we also find a somewhat stronger dependence on metallicity for lower luminosities. Similarly, the mass loss-luminosity relation is somewhat steeper for the SMC than for the Galaxy. In addition, the computed rates are systematically lower (by a factor 2 and more) than those commonly used in stellar-evolution calculations. Overall, our results agree well with observations in the Galaxy that account properly for wind-clumping, with empirical $\dot{M}$ vs. $Z_\ast$ scaling relations, and with observations of O-dwarfs in the SMC. Our results provide simple fit relations for mass-loss rates and wind momenta of massive O-stars stars as functions of luminosity and metallicity, valid in the range $T_{ m eff} = 28000 - 45000$\,K. Due to the systematically lower $\dot{M}$, our new models suggest that new rates might be needed in evolution simulations of massive stars.

연구 동기 및 목표

• 다양한 은하 환경에서 O형 항성의 질량 손실률과 바람 운동량률에 대해 신뢰할 수 있고 물리적으로 일관된 예측을 제공하는 것.
• 자기 일관된 복사력에 의한 바람 모델을 사용하여 질량 손실이 빛의 세기와 금속성에 어떻게 의존하는지 조사하는 것.
• 표준 질량 손실 규정과 관측 데이터 사이의 괴리, 특히 바람 덩어리화에 영향을 받는 경우를 해결하는 것.
• 저예측 질량 손실률이 거대 항성 진화와 월프-레일리 항성 형성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 별의 진화 시뮬레이션에 사용하기 위한 질량 손실률과 바람 운동량률의 빛의 세기와 금속성에 대한 새로운 피팅 관계 수립

제안 방법

• 연구는 공동 운동 프레임(CMF)에서의 전체 비국소 열역학 평형(NLTE) 복사 전달을 사용하여 반복적 해법을 통해 정 steady-state 바람 모델의 격자를 활용한다.
• 선력 형식을 가정하지 않은 선력 분포 함수를 사용하여 복사 가속도를 계산함으로써 유체역학적 일관성을 확보한다.
• 모델은 은하계(Z ≈ Z⊙), LMC(Z ≌ 0.5Z⊙), SMC(Z ≌ 0.2Z⊙)의 세 가지 금속성 범주에서 주계열, 거대 항성, 초거대 항성의 O형 항성에 걸쳐 적용된다.
• 모델은 바람 운동량률(WLR)의 관측 스케일링 관계와 바람 덩어리화 보정된 경험적 질량 손실률에 의해 검증된다.
• 질량 손실률 $\dot{M}$ 과 바람 운동량률에 대한 피팅 관계는 $L_*$ 와 $Z_*$ 에 대한 거듭제곱 의존성에 기반하여 격자에서 유도된다.
• 선력에 대한 매개변수 가정을 피하고 바람 덩어리화 효과를 보정한 관측과 직접 비교할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전한 CMF NLTE 복사 전달을 사용한 복사력에 의한 바람 모델은 다양한 금속성에서 O형 항성의 질량 손실률을 어떻게 예측하는가?
• RQ2 질량 손실률은 항성의 빛의 세기와 금속성에 어떻게 의존하는가? 이는 경험적 스케일링 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 왜 예측된 질량 손실률은 Vink 등(2000, 2001)이 사용한 표준 별의 진화 코드에서 널리 사용되는 것보다 체계적으로 낮게 나타나는가?
• RQ4 새로운 예측은 은하계와 대애니메이션은하의 O형 항성 관측과 얼마나 잘 일치하는가? 특히 바람 덩어리화 보정을 고려할 경우에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 낮은 예측 질량 손실률은 월프-레일리 항성 형성과 거대 항성 진화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 질량 손실률은 $\dot{M} \sim L_*^{2.2}$ 로 스케일링되며, 이는 기존 표준 모델에서 가정된 것보다 빛의 세기에 더 강한 의존성을 나타낸다.
• 금속성 의존성은 평균적으로 $\dot{M} \sim Z_*^{0.95}$ 이지만, 저광도 영역에서는 기울기가 증가하여 저광도 영역에서 더 강한 민감도를 보임을 시사한다.
• SMC의 O형 항성에 대한 바람 운동량률(WLR) 관계는 기울기 변화가 명확히 나타나며, 저금속성 환경에서 약한 바람의 시작을 시사한다.
• 예측된 질량 손실률은 일반적으로 별의 진화 코드에서 널리 사용되는 Vink 등(2000, 2001)의 규정보다 체계적으로 2배 이상 낮게 나타난다.
• 새로운 예측치는 은하계에서 바람 덩어리화를 보정한 경험적 질량 손실률과 잘 일치하며, Mokiem 등(2007)이 제시한 대애니메이션은하의 스케일링 관계와도 잘 일치한다.
• 결과적으로 현재의 별의 진화 시뮬레이션은 거대 항성 진화를 정확히 모델링하기 위해 질량 손실률을 갱신할 필요가 있음을 시사하며, 특히 자전 감속 시간과 월프-레일리 항성의 원천 질량에 대해 중요하다.