[논문 리뷰] Stellar Wind Yields of Very Massive Stars

Erin R. Higgins, J. S. Vink외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양 금속율에서 매우 질량이 큰 별(VMS, M > 100 M⊙)의 항성 풍요를 MESA 항성 진화 모델을 사용하여 계산하며, 광학적으로 두꺼운 풍압을 반영한 물리적으로 타당한 향상된 풍압 규정을 적용한다. 그 결과, VMS는 표준 O형 항성 풍압보다 주계열에서 5–10배 더 많은 처리된 원소(예: 14N, 20Ne, 23Na, 26Al)를 방출하며, 은하계 내 26Al의 주요 공급원이 되고 궤도집단의 반응성 비율을 이끄는 핵심 후보로 나타났다.

ABSTRACT

The most massive stars provide an essential source of recycled material for young clusters and galaxies. While very massive stars (VMS, M>100M) are relatively rare compared to O stars, they lose disproportionately large amounts of mass already from the onset of core H-burning. VMS have optically thick winds with elevated mass-loss rates in comparison to optically thin standard O-star winds. We compute wind yields and ejected masses on the main sequence, and we compare enhanced mass-loss rates to standard ones. We calculate solar metallicity wind yields from MESA stellar evolution models in the range 50 - 500M, including a large nuclear network of 92 isotopes, investigating not only the CNO-cycle, but also the Ne-Na and Mg-Al cycles. VMS with enhanced winds eject 5-10 times more H-processed elements (N, Ne, Na, Al) on the main sequence in comparison to standard winds, with possible consequences for observed anti-correlations, such as C-N and Na-O, in globular clusters. We find that for VMS 95% of the total wind yields is produced on the main sequence, while only ~5% is supplied by the post-main sequence. This implies that VMS with enhanced winds are the primary source of 26Al, contrasting previous works where classical Wolf-Rayet winds had been suggested to be responsible for Galactic 26Al enrichment. Finally, 200M stars eject 100 times more of each heavy element in their winds than 50M stars, and even when weighted by an IMF their wind contribution is still an order of magnitude higher than that of 50M stars.

연구 동기 및 목표

• 최신 항성 진화 모델을 사용하여 태양 금속율에서 매우 질량이 큰 별(VMS, M > 100 M⊙)의 풍압 수확량을 정량화하는 것.
• 표준 O형 항성 풍압 규정과 비교하여 광학적으로 두꺼운, 향상된 질량 손실률이 핵합성 수확량에 미치는 영향을 조사하는 것.
• VMS 풍압이 은하계 내 26Al 재고와 궤도집단의 반응성 비율(예: C-N, Na-O)에 기여하는 정도를 평가하는 것.
• VMS 진화에서 주계열기와 주계열 이후 풍압 방출의 상대적 중요도를 분석하는 것.
• 중간질량함수(IMP)-가중 기여도를 고려하여 VMS가 무거운 원소 방출에 기여하는 정도를 낮은 질량의 O형 항성과 비교하는 것.

제안 방법

• 태양 금속율에서 50에서 500 M⊙의 VMS를 모델링하기 위해 92개의 이sovotope 핵반응 네트워크를 포함한 MESA 항성 진화 코드를 사용하였다.
• Vink & Gräfener(2012)의 전이점 이상에서 질량 손실률을 증가시키는 물리적으로 타당한 풍압 규정을 적용하여 광학적으로 두꺼운 풍압를 시뮬레이션하였다.
• 주계열기 및 주계열 이후 단계에서 수소 핵반응 생성물(14N, 20Ne, 23Na, 26Al)과 동위체(4He, 12C, 16O, 22Ne)의 변화를 추적하였다.
• 풍압 투과도의 영향을 분리하기 위해 향상된(VMS 유사) 및 표준(O형 항성 유사) 풍압 규정 간의 풍압 수확량을 비교하였다.
• 방출 질량과 순수 수확량을 계산하였으며, 별집단 내 상대적 기여도 평가를 위해 IMF-가중 기여도를 포함하였다.
• 화학적으로 균일한 진화(CHE)가 VMS에서 차지하는 역할을 분석하였으며, 큰 대류핵이 전체 혼합과 표면 농도 변화를 보장함을 확인하였다.

(a) Enhanced V11 optically thick winds for VMS

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매우 질량이 큰 별에서 향상된 질량 손실률이 주계열에서 수소 핵반응 생성물(예: 14N, 20Ne, 23Na, 26Al)의 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 풍압이 향상된 VMS의 총 풍압 수확량 중 주계열기와 주계열 이후 단계에서 각각 방출되는 비율은 얼마인가?
• RQ3 O형 항성 또는 월프-레이너 항성과 비교할 때 VMS는 관측된 은하계 26Al 재고에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 높은 질량 손실률을 고려할 때 VMS 풍압가 궤도집단에서 관측된 C-N 및 Na-O 반응성 비율을 설명할 수 있는가?
• RQ5 중간질량함수(IMP)-가중 기여도를 고려할 때 VMS의 무거운 원소 방출에 기여하는 정도가 낮은 질량의 O형 항성과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• VMS의 총 풍압 수확량의 95%가 주계열기 동안 방출되며, 나머지 약 5%는 주계열 이후 단계에서 발생하여 조기 질량 손실의 지배적 영향을 보여준다.
• 풍압가 향상된 VMS는 표준 O형 항성 풍압를 가진 별보다 주계열에서 5–10배 더 많은 수소 처리 원소(14N, 20Ne, 23Na, 26Al)를 방출한다.
• 초기 질량 200 M⊙의 VMS는 IMF 가중을 고려한 후에도 초기 질량 50 M⊙의 별보다 100배 더 많은 무거운 원소(예: 12C, 16O, 28Si)를 풍압으로 방출한다.
• 초기 질량 ≥100 M⊙인 VMS는 화학적으로 균일한 진화 덕분에 초기 질량에 관계없이 동일한 헬륨-ZAMS 질량 및 표면 조성으로 남는다.
• VMS는 은하계 내 26Al의 주요 공급원이며, 초기 질량의 10–3에서 10–2를 26Al 형태로 방출한다. 반면 낮은 질량의 O형 항성은 26Al를 전혀 방출하지 않는다.
• 중간 질량 범위(80–100 M⊙)는 주계열 이후 단계에서 헬륨 손실이 상대적으로 적게 발생하여 처리된 12C와 16O를 더 많이 방출한다. 이는 고질량 VMS보다 더 높은 방출량을 기록한다.

(b) Standard V01 optically thin O star winds applied to VMS