[논문 리뷰] The Properties of Fast Yellow Pulsating Supergiants: FYPS Point the Way to Missing Red Supergiants

Trevor Z. Dorn-Wallenstein, Emily M. Levesque외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 110인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 TESS 2분 주기 광도곡선를 사용하여 숨겨진 은하계의 36개의 진동하는 냉각 초거성 항성들을 규명하였으며, 이 중에서 log L/L⊙ > 5.0—초기 질량 약 18–20 M⊙에 해당하는—은 빠른 노랑 진동 초거성 항성(FYPS)으로 확인되었다. 이러한 FYPS는 적색 초거성 이후의 진화 상태일 가능성이 크며, 냉각된 항성에서는 고주파수 p-모드에서 더 뜨거운 항성에서는 저주파수 g-모드로의 진동 행동 전환이 관찰되어, 내부 구조를 분석할 수 있는 항성진동학적 연구 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Fast yellow pulsating supergiants (FYPS) are a recently-discovered class of evolved massive pulsator. As candidate post-red supergiant objects, and one of the few classes of pulsating evolved massive stars, these objects have incredible potential to change our understanding of the structure and evolution of massive stars. Here we examine the lightcurves of a sample of 126 cool supergiants in the Magellanic Clouds observed by the Transiting Exoplanet Survey Satellite ( ess~) in order to identify pulsating stars. After making quality cuts and filtering out contaminant objects, we examine the distribution of pulsating stars in the Hertzprung-Russel (HR) diagram, and find that FYPS occupy a region above $\log L/L_\odot \gtrsim 5.0$. This luminosity boundary corresponds to stars with initial masses of $\sim$18-20 $M_\odot$, consistent with the most massive red supergiant progenitors of supernovae (SNe) II-P, as well as the observed properties of SNe IIb progenitors. This threshold is in agreement with the picture that FYPS are post-RSG stars. Finally, we characterize the behavior of FYPS pulsations as a function of their location in the HR diagram. We find low frequency pulsations at higher effective temperatures, higher frequency pulsations at lower temperatures, with a transition between the two behaviors at intermediate temperatures. The observed properties of FYPS make them fascinating objects for future theoretical study.

연구 동기 및 목표

• TESS 광도곡선를 사용하여 숨겨진 은하계의 진동하는 고급 질량 항성들을 규명하고 특성화하는 것.
• 빠른 노랑 진동 초거성 항성(FYPS)이 적색 초거성 이후 상태(post-RSG)인지를 히츠팅-루스터(HR)도에서의 위치를 분석하여 규명하는 것.
• 효과 온도와 빛의 세기 함수로서 FYPS의 진동 행동을 조사하여 내부 구조와 진화 상태를 추론하는 것.
• FYPS를 사용한 항성진동학적 연구의 가능성 여부를 평가하여 고급 항성의 후기 진화 단계를 탐색하는 것.
• 핵 붕괴 이전에 적색 초거성 상태로 진화하는 최소 초기 질량 임계값을 규명함으로써 '적색 초거성 문제'를 해결하는 것.

제안 방법

• Neugent 등(2010, 2012)에서 선별한 219개의 냉각 초거성 항성 중에서 log L/L⊙ > 4인 항성들을 선별하고, Gaia DR2 천문측위 데이터를 통해 숨겨진 은하계 소속을 확인하였으며, TESS 등급은 T = 4에서 T = 12 사이였다.
• 장치 오차와 오염 영향을 제거하기 위해 TESS 광도곡선에 품질 절차를 적용하였으며, 이는 체계적 노이즈와 인근 항성 오염을 포함하였다.
• 후방 분석 및 주기도 기법을 사용하여 후보 항성의 광도곡선에서 진동 모드를 탐지하고 특성화하였다.
• 근적외선 광도측정과 Gaia 데이터에서 유도한 효과 온도(log Teff)와 빛의 세기(log L/L⊙)를 사용하여 HR도에 진동 항성들을 매핑하였다.
• HR도에서 군집의 통계적 유의성을 검증하기 위해 부트스트랩 재표본 추출을 수행하였으며, 무작위 오염이 원인일 수 없다는 것을 배제하였다.
• 온도 의존적인 항성 구조 기반으로, 진동 모드 전환(p-모드에서 g-모드 우세로 전환)이 대류 외피의 유무와 관련이 있음을 제안하는 물리적 모델을 수립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 노랑 진동 초거성 항성(FYPS)은 적색 초거성 이후 상태(post-RSG) 진화 단계를 지지하는 특별한 영역을 HR도에서 차지하고 있는가?
• RQ2 FYPS가 관측되는 빛의 세기 임계값(log L/L⊙)은 무엇이며, 이는 알려진 Type II-P 초신성의 원천 항성의 초기 질량 범위와 일치하는가?
• RQ3 FYPS의 진동 주파수와 모드 구조는 효과 온도에 따라 어떻게 변화하며, 이는 내부 구조에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ4 FYPS에서 관측된 진동 행동은 대류 외피의 p-모드와 복사 내부의 g-모드가 결합된 혼합 모드 진동으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 FYPS는 얼마나 높은 정도로 항성진동학적 연구의 대상이 될 수 있으며, 고급 항성의 내부 구조를 탐색하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 확인된 126개의 숨겨진 은하계 냉각 초거성 항성 중 36개가 진동 항성으로 규명되었으며, 이 중 12개는 log L/L⊙ > 5.0에 위치하여 빠른 노랑 진동 초거성 항성(FYPS)으로 분류되었다.
• FYPS는 log L/L⊙ ≳ 5.0 이상의 영역에서만 관측되며, 이는 약 18–20 M⊙의 초기 질량에 해당하며, Type II-P 초신성 원천 항성의 추정 질량 한계와 일치한다.
• 진동 행동은 냉각된 FYPS(Teff < ~5500 K)에서는 고주파수 p-모드에서 더 뜨거운 FYPS(Teff > ~5500 K)에서는 저주파수 g-모드로 전환되며, 이는 복사 외층 형성의 시작과 겹친다.
• 약 5500 K에서의 전환은 대류 외피가 축소되고 복사 영역이 형성되는 온도와 일치하며, 이는 외층이 복사 영역이 되어야만 g-모드가 표면까지 전파될 수 있음을 시사한다.
• 관측된 진동 주파수는 후속 적색 초거성 모델에서 g-모드 전파와 일치하며, p-모드와 g-모드 영역 사이의 얇은 퇄소층은 혼합 모드 진동의 가능성을 뒷받침한다.
• 이 연구는 FYPS가 후속 적색 초거성 객체일 가능성이 크며, 그들의 진동은 대류 핵에서 표면까지 고급 항성 내부를 항성진동학적으로 탐색할 수 있는 고유한 기회를 제공한다고 결론내린다.