[논문 리뷰] Testing Evolutionary Models with Red Supergiant and Wolf-Rayet Populations

Philip Massey, Kathryn F. Neugent외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 17.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 238인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 마젤란 운성, M31, M33의 업데이트된 빨간 초거성(RSG) 및 월프-레이넷(WR) 인구를 활용하여 거대 별 진화 모델을 시험한다. Gaia 천문측정과 근적외선 광도측정을 적용하여 전경 오염을 줄이고 RSG 선택을 향상시키며, 스펙트럼적 확인을 통해 WR 후보자를 확인함으로써, 관측된 RSG/WR 비율이 단일별 제네바 모델과 이중별 BPASS 모델과 높은 일치도를 보임을 발견한다. 특히 RSG 온도를 TiO 기반 스펙트럼 척도에 맞추기 위해 200 K 낮춘 조정을 가한 후에 이러한 일치가 더욱 뚜렷해진다.

ABSTRACT

Despite the many successes that modern massive star evolutionary theory has enjoyed, reproducing the apparent trend in the relative number of red supergiants (RSGs) and Wolf-Rayet (WR) stars has remained elusive. Previous estimates show the RSG/WR ratio decreasing strongly with increasing metallicity. However, the evolutionary models have always predicted a relatively flat distribution for the RSG/WR ratio. In this paper we reexamine this issue, drawing on recent surveys for RSGs and WRs in the Magellanic Clouds, M31, and M33. The RSG surveys have used Gaia astrometry to eliminate foreground contamination, and have separated RSGs from asymptotic giant branch stars using near-infrared colors. The surveys for WRs have utilized interference filter imaging, photometry, and image subtraction techniques to identify candidates, which have then been confirmed spectroscopically. After carefully matching the observational criteria to the models, we now find good agreement in both the single-star Geneva and binary BPASS models with the new observations. The agreement is better when we shift the RSG effective temperatures derived from J-Ks photometry downwards by 200 K in order to agree with the Levesque TiO effective temperature scale. In an appendix we also present a source list of RSGs for the SMC which includes effective temperatures and luminosities derived from near-infrared 2MASS photometry, in the same manner as used for the other galaxies.

연구 동기 및 목표

• RSG와 월프-레이넷(WR) 별의 상대적인 수에서 오랫동안 지속된 진화 모델과 관측 결과 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 현대의 단일별 및 이중별 진화 모델이 다양한 금속성에서 관측된 RSG 및 WR 인구를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• Gaia 천문측정을 활용해 전경 오염을 줄이고, 근적외선 J−Ks 색상으로 AGB 별과 구분함으로써 RSG의 관측 선택을 향상시키기 위해.
• 광도 및 영상 차감 기법을 통해 WR 후보자를 탐지한 후 스펙트럼적 검증을 수행하기 위해.
• 레베스크 TiO 척도를 사용해 효과적 온도를 校정함으로써 모델 예측과 관측 결과를 조율하기 위해.

제안 방법

• SMC, LMC, M31, M33에서 RSG 샘플의 전경 오염제거를 위해 Gaia 천문측정을 활용하였다.
• 2MASS의 근적외선 J−Ks 광도측정을 적용하여 RSG를 식별하였으며, 색상-광도 관계를 이용해 온도 경계를 정의하였다.
• 간섭필터 영상 촬영, 광도측정 및 영상 차감 기법을 통해 WR 후보자를 탐지한 후, 스펙트럼적 확인을 수행하였다.
• 레베스크 TiO 기반 온도 척도를 사용해 RSG의 효과적 온도를 校정하였으며, 광도측정 온도를 200 K 낮춘 조정을 가하였다.
• 관측 기준(광도, 온도, 금속성)을 단일별 제네바 모델과 이중별 BPASS 모델에 대응시켰다.
• 2MASS 광도측정과 Gaia 자료를 활용해 Teff 및 log L/L⊙를 유도한 SMC의 RSG 501개로 구성된 소스 목록을 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 이전의 진화 모델은 금속성에 따른 RSG/WR 비율 추세를 재현하지 못했는가?
• RQ2 현대의 단일별 및 이중별 진화 모델은 다양한 금속성을 가진 은하에서 관측된 RSG 및 WR 인구와 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 효과적 온도 척도 선택(광도측정 대비 스펙트럼 TiO)이 모델과 관측 결과 간 비교에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측 선택의 향상, 특히 전경 제거 및 AGB 별 분리가 유도된 RSG/WR 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 RSG/WR 비율의 금속성 의존성은 단일 및 이중 별 시나리오 모두에서 질량 손실에 의해 유도된 진화로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 RSG/WR 비율은 금속성 감소와 함께 감소하며, 금속성 의존적 질량 손실에 기대하는 바와 일치한다.
• RSG 광도측정 온도를 Levesque TiO 온도 척도에 맞추기 위해 200 K 낮춘 후, 단일별 제네바 모델과 이중별 BPASS 모델 모두 관측 결과와 양호한 일치를 보였다.
• SMC(RSG/WR 비율: 41.0+14.0−10.0, L/L⊙ ≥ 4.2, log(O/H)+12 = 8.00, Z ≈ 0.003)에서 비율은 M33(Z ≈ 0.006)에서 1.8+0.3−0.3으로 감소하고, M31(Z ≈ 0.030)에서 더욱 감소하여 2.4+0.2−0.2가 되었다.
• 관측된 RSG/WR 비율 추세는 이제 모델에 의해 잘 재현되며, 거대 별 진화 이론에서 오랫동안 지속된 괴리를 해결하였다.
• SMC의 RSG 샘플은 501개의 별로 구성되어 있으며, 2MASS J−Ks 광도측정과 Gaia 천문측정 자료를 통해 유도된 효과적 온도와 광도를 포함하고 있으며, 공개 가능한 소스 목록으로 제공된다.
• 별 형성 역사에서의 확률적 변동(±30%)은 예측된 RSG/WR 비율에 미미한 영향을 미치며, 모델과 관측 결과의 일치가 견고함을 시사한다.