[논문 리뷰] Red Supergiants, Luminous Blue Variables and Wolf-Rayet stars: the single massive star perspective

G. Meynet, C. Georgy외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 31.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 별 모델에서 회전과 질량 손실이 적색 초거성(RSG), 밝은兰색 변수(LBV), 월프-레이네퍼(WR) 항성의 진화 경로를 지배함을 제안한다. 중간 정도의 회전과 질량 손실은 RSG 형성을 유도하지만, 빠른 회전과 강한 질량 손실은 직접적으로 WR 단계로의 진화를 이끌어내며, 이는 18–30 M⊙ 항성에서 RSG의 후보자가 희귀한 이유와 Ibc 초신성의 후보자가 관측되지 않는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

We discuss, in the context of the single star scenario, the nature of the progenitors of Red Supergiants (RSG), of Luminous Blue Variables (LBV) and of Wolf-Rayet (WR) stars. These three different populations correspond to evolved phases of Main Sequence (MS) OB stars. Axial rotation and mass loss have a great influence on massive star evolution in general and more specifically on the durations of these different phases. Moderate rotation and mass loss, during the MS phase, favor the evolution towards the RSG stage. Fast rotation and strong mass loss during the MS phase, in contrast, prevent the star from becoming a RSG and allow the star to pass directly from the OB star phase into the WR phase. Mass loss during the RSG stage may make the star evolve back in the blue part of the HR diagram. We argue that such an evolution may be more common than presently accounted for in stellar models. This might be the reason for the lack of type IIP SNe with RSG progenitors having initial masses between 18 and 30 M$_\\odot$. The LBVs do appear as a possible transition phase between O and WR stars or between WNL and WNE stars. Fast rotation and/or strong mass loss during the Main-Sequence phase prevent the formation of LBV stars. The mechanisms driving the very strong ejections shown by LBV stars are still unknown. (abridged)

연구 동기 및 목표

• RSG, LBV, WR 항성의 수명과 전이 과정을 결정짓는 회전과 질량 손실의 역할을 분석함으로써 거대 항성 진화의 모순을 해결하는 것.
• 18–30 M⊙ 항성에서 IIP 초신성의 RSG 후보자가 관측되지 않는 현상을 설명하기 위해 RSG 단계 동안의 질량 손실이 핵심 요소임을 제안하는 것.
• 깊은 전폭발 이미징에도 불구하고 Ibc 초신성의 후보자가 발견되지 않는 이유를 분석하고, 전폭발 단계의 껍질 방출 또는 다른 후보자 경로를 제안하는 것.
• 단일 별 진화와 이중성 상호작용이 다양한 금속도에서 WR 항성과 핵붕괴 초신성 유형을 어떻게 생성하는지 명확히 하는 것.
• 에드링턴 한계와 임계 회전 속도가 LBV에서 관찰되는 극단적 질량 방출을 동시에 이끌 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 주계열에서 후주계열 단계까지의 거대 항성의 허츠프루ング-라소스키도(HR도) 궤적을 시뮬레이션하기 위해 단일 별 진화 모델을 사용하며, 이는 회전과 질량 손실를 고려한다.
• 업데이트된 질량 손실 규정(예: 복사력에 의한 바람)과 회전에 의한 혼합(예: 확산 이동)을 적용하여 10–90 M⊙ 범위의 항성 진화를 모델링한다.
• 관측된 파랑-빨강 초거성 비율과 초신성 후보자 관측 자료와 비교하여 RSG, LBV, WR 단계의 지속 시간과 발생 빈도를 모델 예측과 분석한다.
• 금속도가 Ibc 초신성과 II형 초신성의 비율에 미치는 영향을 분석하고, 모델의 관측 일치성을 시험한다.
• 이론적 안정성과 바람 모델을 통해 에드링턴 한계와 임계 회전(ΩΓ 한계)이 LBV 유사 껍질 방출을 어떻게 유도하는지 평가한다.
• 젊은 군집(예: 웨스터룬드 I, 은하수 중심부)에서 RSG와 WR 인구의 동시성(coevality)을 분석하여, 이중성에 의한 WR 형성의 희귀성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 18–30 M⊙ 초기 질량 범위에서 IIP 초신성의 RSG 후보자가 희귀한 이유는 무엇이며, RSG 단계 동안의 질량 손실이 이 현상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 LBV 항성에서 극단적 질량 방출을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇이며, 에드링턴 한계 근처의 회전이 이러한 사건을 설명할 수 있는가?
• RQ3 깊은 전폭발 영상에도 불구하고 Ibc 초신성의 후보자가 발견되지 않는 이유는 무엇이며, 이는 전폭발 진화 또는 후보자 다양성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 금속도에 따라 관측된 Ibc 초신성과 II형 초신성의 비율은 어떻게 변화하며, 단일 별 모델이 이 추세를 재현할 수 있는가?
• RQ5 동시성 인구에서 RSG와 WR 항성이 흔히 함께 발견되지 않는 이유는 무엇이며, 이는 단일 별 진화와 이중성 상호작용 중 어느 것이 WR 형성에 더 중요한지를 시사하는가?

주요 결과

• 주계열에서 중간 정도의 회전과 질량 손실은 적색 초거성(RSG) 형성에 유리하지만, 빠른 회전과 강한 질량 손실은 RSG 형성을 방지하고 직접적으로 월프-레이네퍼(WR) 단계로의 진화를 이끈다.
• RSG 단계 동안의 질량 손실은 항성이 허츠프루ング-라소스키도의 파랑 영역으로 재진화하도록 만들 수 있으며, 이는 18–30 M⊙ 항성에서 RSG 후보자가 관측되지 않는 이유를 설명할 수 있다.
• 10개의 Ibc 초신성에서 후보자가 관측되지 않은 것은 우연의 확률이 11% 미만이므로, 전폭발 단계의 껍질 방출 또는 비-WR 후보자가 일반적임을 시사한다.
• 단일 별 모델은 Ibc 초신성과 II형 초신성의 비율이 금속도에 따라 변화하는 경향을 잘 재현하며, 이는 많은 블랙홀 형성 항성이 여전히 관측 가능한 초신성로 남아 있다는 전제 하에 관측 결과와 일치한다.
• RSG와 WR 인구가 동시에 존재하는 경우가 흔하지 않은 것은(고금속도 또는 고질량 군집 이외에는), 9–25 M⊙ 항성에서 이중성에 의한 질량 이전(예: 로체 루프 오버)에 의한 WR 형성이 희귀함을 시사한다.
• LBV는 O 항성과 WR 항성 사이의 전이 단계일 수 있지만, 극단적 방출 메커니즘은 아직 설명되지 않았다. 에드링턴 한계에 가까운 상태와 임계 회전 속도가 이러한 사건을 유도하는 데 기여할 수 있다.