[논문 리뷰] New predictions for radiation-driven, steady-state mass-loss and wind-momentum from hot, massive stars III. Updated mass-loss rates for stellar evolution

R. Björklund, J. O. Sundqvist외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 국소 열역학적 평형이 아닌 비국소 열역학적 평형(NLTE) 복사전달과 정 steady 상태 유체역학 모델을 기반으로 한 새로운 이론적 근거를 가진 뜨거운 거대 질량 성별의 질량 손실 규정을 제시한다. 이는 O형 항성의 질량 손실 속도가 기존 표준 모델 대비 약 3배 감소하고, 더 낮은 온도의 B-초거대성별의 경우 최대 두 개의 지수 차수 감소함을 보여주며, 이는 양성자성의 이중 안정성 점프(bi-stability jump)의 증거가 없음을 의미한다. 이는 항성 진화 궤적에서 더 높은 블랙홀 질량을 초래한다.

ABSTRACT

Massive stars lose a large fraction of their mass to radiation-driven winds throughout their entire life. These outflows impact both the life and death of these stars and their surroundings. Theoretical mass-loss rates of hot, massive stars are derived to be used in applications such as stellar evolution. The behaviour of these rates in the OB-star regime is analysed, and their effects on massive-star evolution predictions is studied. Dynamically-consistent models are computed by solving the spherically symmetric, steady-state equation-of-motion for a large grid of hot, massive stars. The radiative acceleration is derived from non-local thermodynamic equilibrium radiative transfer in the co-moving frame. The resulting mass-loss rates are used to derive a simple scaling recipe with stellar parameters and to evaluate some first impacts upon evolution tracks. We provide a new prescription for steady-state, radiation-driven mass-loss from hot, massive stars depending on their fundamental parameters. The rates for O-stars are lower by about a factor ~3 than the rates typically used in previous stellar-evolution calculations, where differences generally decrease with increasing luminosity and temperature. For cooler B-giants/supergiants we find larger discrepancies. This arises because we do not find any systematic increase in mass-loss rates below the so-called bi-stability region; indeed, our results do not show any sign of a significant bi-stability jump within the parameter range covered by the grid. Due to the lower mass-loss rates we find that envelopes are not easily stripped by means of standard steady-state winds, making it difficult to create classical Wolf-Rayet stars via this channel. However, a remaining key uncertainty regarding these predictions concerns unsteady mass loss for very high-luminosity stars close to the Eddington limit as well as the impact of non-line-driven winds.

연구 동기 및 목표

• NLTE 복사전달과 정 steady 상태 유체역학을 사용하여 뜨거운 거대 질량 성별에 대한 새로운 이론적 근거를 가진 질량 손실 규정을 개발한다.
• 실제 관측과 표준 질량 손실 조건 간의 괴리, 특히 Vink 등(2001)의 규정에서 과도하게 예측된 이중 안정성 점프를 해결한다.
• 감소된 질량 손실 속도가 거대 성별 진화에 끼치는 영향, 특히 월프-레이너 별 형성과 블랙홀 잔여물에 미치는 영향을 평가한다.
• 광도, 질량, 효율 온도, 금속성 등을 포함한 파rameterized 조건을 활용해 별 진화 코드에서 사용 가능한 확장 가능한 조건을 제공한다.
• 중력파 관측에서 관측된 고질량 이중 블랙홀 이벤트의 맥락에서 블랙홀 질량 예측에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 다양한 광도, 질량, 효율 온도, 금속성을 갖는 뜨거운 거대 질량 성별에 대해 구형 대칭, 정 steady 상태-atmosphere 및 풍속 모델의 대규모 격자 계산을 수행한다.
• 풍속의 전체 구조에 걸쳐 복사 가속도를 계산하기 위해 공동 기준 프레임에서의 NLTE 복사전달을 사용하여 운동 방정식을 해결한다.
• 하나의 하부음속에서 고속 초음속 유동까지의 풍속 구조를 자발적으로 결정함으로써 역학적 일관성을 확보한다.
• 별의 광도, 효율 온도, 질량, 금속성을 함수로 하는 새로운 경험적 유사 규칙(식 4)을 유도한다.
• 클러스터링된 질량 손실 측정치와 라디오 진단 데이터와의 비교를 통해 신규 규정을 검증한다.
• 표준 모델과 비교하기 위해 신규 질량 손실 규정을 사용하여 별 진화 모델을 실행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사력에 의한 질량 손실 속도가 뜨거운 거대 질량 성별에서 광도, 효율 온도, 질량, 금속성에 따라 어떻게 영향을 받는가? 이는 역학적으로 일관되고 정 steady 상태의 프레임워크 내에서 이루어진다.
• RQ2 냉각된 O형 및 B형 성별에서 질량 손실이 약 10배 증가할 것으로 예측되는 이중 안정성 점프가 NLTE 풍속 모델에서 실제로 발생하는가?
• RQ3 정 steady 상태 풍속을 통한 고전적 월프-레이너 별 형성에 대해 감소된 질량 손실 속도가 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 감소된 질량 손실 규정이 고질량 성별 진화에서 최종 블랙홀 질량에 어떤 영향을 미치는가? 특히 고금속도에서의 영향을 중심으로 한다.
• RQ5 관측 제약 조건(예: 라디오 진단, Hα 복사)이 Vink 등(2001)의 규정과 비교해 새로운 이론적 예측을 얼마나 잘 지지하는가?

주요 결과

• 새로운 질량 손실 규정은 널리 사용되는 Vink 등(2001) 규정 대비 O형 항성의 질량 손실 속도를 약 3배 감소시키며, 더 높은 광도와 온도를 가진 별일수록 이 괴리 정도가 줄어든다.
• 더 낮은 온도의 B거대성 및 초거대성별(T_eff ≥ 15 kK)의 경우, 새로운 모델에서 이중 안정성 점프가 없기 때문에 표준 모델과의 괴리 정도가 최대 한 개 또는 두 개의 지수 차수까지 증가한다.
• 다루어진 온도 범위(T_eff ≥ 15 kK)에서 뚜렷한 이중 안정성 점프가 발견되지 않으며, 이는 이 온도 범위에서 질량 손실이 크게 증가할 것으로 예측하는 Vink 등(2000) 규정과 정반대된다.
• Hα 및 라디오 진단에서의 실증적 증거는 질량 손실에 해당 증가가 없음을 보여주며, 이는 이중 안정성 점프가 약한 것으로 나타나는 것을 지지한다.
• 새로운 속도를 사용한 별 진화 모델은 수소를 포함한 외곽층이 더 효과적으로 유지됨을 보여주며, 이는 정 steady 상태 풍속을 통해 단일 항성이 고전적 월프-레이너 별로 진화하는 것을 어렵게 한다.
• 감소된 질량 손실로 인해 더 큰 질량의 핵이 중심 붕괴까지 생존하게 되어, 은하계 금속성에서도 더 무거운 블랙홀 형성이 가능해지며, 이는 중력파 이벤트에서 관측된 고질량 블랙홀을 설명하는 데 도움이 된다.