[논문 리뷰] The VLT-FLAMES Tarantula Survey III: A very massive star in apparent isolation from the massive cluster R136

J. M. Bestenlehner, J. S. Vink외 18명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2011. 05. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 29인용 수 71

한 줄 요약

이 연구는 대량성 항성 VFTS 682를 특정한다. 이 항성은 대량성 항성(로그(L/L☉) = 6.5 ± 0.2, 약 150 M☉)으로, 대량성 항성 집단 R136에서 29 pc 떨어진 곳에 있는 것으로 보인다. VLT-FLAMES 분광법 및 SED 모델링을 통해 극도로 높은 적색화(R_V ≈ 4.7), 높은 온도(52.2 ± 2.5 kK), 그리고 기록적인 장기적 광도 변화(수년간 10% 어두워짐)를 규명하였으며, 이는 화학적으로 균일한 진화를 시사하고, 현재의 대량성 항성 형성 및 이완 방출 이론에 도전한다.

ABSTRACT

VFTS 682 is located in an active star-forming region, at a projected distance of 29 pc from the young massive cluster R136 in the Tarantula Nebula of the Large Magellanic Cloud. It was previously reported as a candidate young stellar object, and more recently spectroscopically revealed as a hydrogen-rich Wolf-Rayet (WN5h) star. Our aim is to obtain the stellar properties, such as its intrinsic luminosity, and to investigate the origin of VFTS 682. To this purpose, we model optical spectra from the VLT-FLAMES Tarantula Survey with the non-LTE stellar atmosphere code CMFGEN, as well as the spectral energy distribution from complementary optical and infrared photometry. We find the extinction properties to be highly peculiar (RV ~4.7), and obtain a surprisingly high luminosity log(L/Lsun) = 6.5 \pm 0.2, corresponding to a present-day mass of ~150Msun. The high effective temperature of 52.2 \pm 2.5kK might be explained by chemically homogeneous evolution - suggested to be the key process in the path towards long gamma-ray bursts. Lightcurves of the object show variability at the 10% level on a timescale of years. Such changes are unprecedented for classical Wolf-Rayet stars, and are more reminiscent of Luminous Blue Variables. Finally, we discuss two possibilities for the origin of VFTS 682: (i) the star either formed in situ, which would have profound implications for the formation mechanism of massive stars, or (ii) VFTS 682 is a slow runaway star that originated from the dense cluster R136, which would make it the most massive runaway known to date.

연구 동기 및 목표

• R136 집단으로부터 명백히 분리된 상태로 발견된 매우 대량의 항성 VFTS 682의 본질적 항성 파라미터를 규명하는 것.
• VFTS 682의 기원을 분석하여, 이 항성이 현지에서 형성되었는지, 아니면 밀도가 높은 R136 집단에서 탈출한 것인지 고려하는 것.
• 높은 빛의 세기, 극도의 적색화, 그리고 이국적인 광도 변화가 대량성 항성 형성 및 진화 모델에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 화학적으로 균일한 진화가 VFTS 682의 관측된 특성을 어떻게 형성했는지 평가하는 것.

제안 방법

• 비-비등온 별 대기 모델 코드 cmfgen을 사용하여 VLT-FLAMES 타란투라 조사의 옵티컬 데이터를 기반으로 VFTS 682의 분광 분석을 수행한다.
• 2MASS, VISTA, SAGE, IRSF의 보완적 옵티컬 및 적외선 광도 측정 데이터를 사용하여 스펙트럼 에너지 분포(Spectral Energy Distribution, SED) 모델링을 수행한다.
• R_V 파rameter를 사용하여 흡수 특성을 유도하여 R_V ≈ 4.7를 도출함으로써, 매우 이례적인-dust 특성을 시사한다.
• Gräfener 등(2011)의 질량-빛의 세기 관계를 가정하여, 균일한 수소 연소를 전제로 항성의 빛의 세기와 질량을 추정한다.
• 반경 속도 및 운동 성질을 평가하여, VFTS 682가 R136에서 탈출한 느린 도약 항성일 가능성을 검토한다.
• OGLE-III V 및 I 대역 광도 곡선(2001–2009)과 K-대역 데이터(2010)를 사용하여 장기적 광도 변화를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VFTS 682의 본질적 빛의 세기와 질량은 무엇이며, 알려진 매우 대량성 항성들과 비교해 봤을 때 어떻게 다른가?
• RQ2 VFTS 682 방향에서 관측된 극도의 적색화(R_V ≈ 4.7)의 기원은 무엇이며, 이는 유도된 항성 파라미터에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 VFTS 682는 고전적인 월프-레이테르 항성에서 관측된 바가 없는 장기적 광도 변화(수년간 10% 어두워짐)를 보이는가?
• RQ4 VFTS 682는 현지에서 대량성 항성이 형성된 결과인지, 아니면 R136 집단에서 탈출한 느린 도약 항성인가?
• RQ5 화학적으로 균일한 진화가 VFTS 682의 높은 효율 온도와 높은 질량을 설명하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• VFTS 682는 로그(L/L☉) = 6.5 ± 0.2의 높은 본질적 빛의 세기를 가지며, 이는 현재 질량 약 150 M☉에 해당한다.
• 극도의 적색화를 보이며 R_V ≈ 4.7로, 이는 이례적인 먼지 특성을 시사하고, A_V ≈ 4.5의 심한 흡수를 겪고 있음을 의미한다.
• 효율 온도는 52.2 ± 2.5 kK로, 영초 주인계상에 위치함을 시사하며, 화학적으로 균일한 진화를 지지한다.
• 장기적 광도 변화가 관측됨: 2006년에서 2009년 사이에 V 및 I 대역에서 약 0.1 mag 어두워졌고, 2010년 K-대역에서 약 0.15 mag 증가함으로써 LBV 유사 행동을 보였다.
• VFTS 682의 반경 속도는 약 300 km/s로, R136에서 탈출한 느린 도약 항성일 가능성이 있으며, 현재의 투영 거리 29 pc에 도달하기 위해 진짜 속도 약 40 km/s가 필요하다.
• VFTS 682의 가장 가능성 있는 초기 질량는 120–210 M☉이며, 연령은 1–1.4 Myr이다. 고온의 헬륨 농도(Y = 0.45)는 빠른 初기 회전(v_rot^init > 200 km/s)에 의한 화학적으로 균일한 진화를 지지한다.