[논문 리뷰] The VLT-FLAMES Tarantula Survey - XI. A census of the hot luminous stars and their feedback in 30 Doradus

E. Doran, P. A. Crowther외 17명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2013. 08. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 115인용 수 72

한 줄 요약

이 연구는 VLT-FLAMES Tarantula Survey의 다중 에포크 스펙트로스코피를 활용하여 30 Doradus 성성 영역 내 가장 뜨겁고 밝은 별들에 대한 최초의 종합적 인벤토리 결과를 제시한다. 이는 질량이 큰 별들—특히 初기 질량 >100 M⊙ 이며 W-R/Of/WN 유형에 속하는 별들—이 이온화 방사선과 별풍 폭발 피드백에 비례적으로 기여하고 있으며, 약 6%의 이온화 광자가 영역을 빠져나가고 있음을 드러내며, 기존의 Starburst99와 같은 표준 모델이 피드백을 2–9배 정도 과소평가하고 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We compile the first comprehensive census of hot luminous stars in the 30 Doradus (30 Dor) star forming region of the LMC. The census extends to a radius of 10arcmin (150pc) from the central cluster, R136. Stars were selected photometrically and combined with the latest spectral types. 1145 candidate hot luminous stars were identified of which >700 were considered genuine early type stars that contribute to feedback. We assess the spectroscopic completeness to be 85% in outer regions (>5pc) but fall to 35% in the vicinity of R136, giving a total of 500 hot luminous stars with spectroscopy. Stellar calibrations and models were used to obtain their physical parameters before integrated values were compared to global observations and the population synthesis code, Starburst99. The 31 W-R and Of/WN stars made large contributions to the total ionising and wind luminosities of ~40% and ~50%, respectively. Stars with Minit>100Msun also showed high contributions to the global feedback, ~25% in both cases. Such massive stars are not accounted for by the current Starburst99 code, which underestimated the ionising and wind luminosities of R136 by factors of ~2 and ~9, respectively. The census inferred a SFR of 0.073+/-0.04Msun/yr for 30 Dor, typically higher than results from popular SFR calibrations. However, it remained consistent with a far-UV luminosity tracer and a combined Halpha and mid-infrared tracer, but only after correcting for Halpha extinction. The global ionising output exceeded measurements from the associated gas and dust, suggesting ~6(+55/-6)% of ionising photons escape the region. When studying very luminous star forming regions, it is therefore essential to include the most massive stars to ensure a reliable energy budget. If 30 Dor is typical of other large star forming regions, estimates of the SFR will be underpredicted if this escape fraction is not accounted for.(abridged)

연구 동기 및 목표

• 30 Doradus 영역 내 초기형 및 질량이 큰 별들에 대한 완전한 인벤토리 작성을 목적으로 한다.
• 스펙트로스코픽 완전성 평가 및 가장 질량과 빛나는 별들, 특히 W-R 및 Of/WN 유형을 식별한다.
• 통합 이온화 복사원과 별풍 복사원을 측정하여 별 형성률(SFR)과 이온화 광자 탈출율을 재평가한다.
• Starburst99와 같은 인구 합성 모델이 극한의 H II 영역에서 관측된 피드백을 얼마나 정확히 재현하는지 테스트한다.
• 100 M⊙를 초과하는 가장 질량이 큰 별들이 영역의 총 에너지 예산에 기여하는 비율을 규명한다.

제안 방법

• VLT-FLAMES Tarantula Survey의 다중 에포크 스펙트로스코피를 활용한 광도 선택과 결합하여 뜨겁고 밝은 별들을 식별한다.
• 스펙트럼 유형과 광도 데이터로부터 물리적 파rameter를 유도하기 위해 은하대기 모델 및 교정법(예: Martins & Pleijel 2006)을 적용한다.
• K-band 광도 측정에서 유도된 흡수 법칙(R_V = 3.5–4.2)을 사용하여 먼지 적색화를 보정하고 진실된 등급을 추정한다.
• 개별 별들의 기여를 바탕으로 통합 이온화 복사원과 풍압 복사원을 계산하고, 전체 우주선에서의 UV에서 FIR 관측 결과와 비교한다.
• 인구 합성 모델(Starburst99)과 관측 지표(적외선 원거리, Hα, 중간 적외선)에 대해 결과를 검증한다.
• 총 별의 복사 출력과 기체상 이온화 측정치를 비교하여 이온화 광자 탈출율을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30 Doradus 영역 내 뜨겁고 밝은 별들의 완전한 인벤토리는 무엇인가, 특히 밀도가 높은 R136 집단에서 어떻게 되는가?
• RQ2 조밀한 중심 영역에서 초기형 별들의 스펙트로스코픽 샘플링은 얼마나 완전한가?
• RQ3 가장 질량이 큰 별들(>100 M⊙)과 W-R/Of/WN 별들이 총 이온화 복사원과 풍압 복사원의 몇 퍼센트를 기여하는가?
• RQ4 Starburst99와 같은 표준 인구 합성 모델이 극한의 H II 영역에서 질량이 큰 별들의 피드백을 얼마나 과소평가하는가?
• RQ5 30 Doradus에서의 전체 이온화 광자 탈출율은 얼마이며, 이는 SFR 추정치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 인벤토리에서 1,145개의 후보 뜨거운 밝은 별이 식별되었으며, 그 중 500개는 스펙트로스코피로 확인되었고, 그 중 700개 이상가 진정한 초기형 별로 확인되었다.
• R136 근처에서는 스펙트로스코픽 완전성이 35%로 떨어지지만, >5 pc 거리에서는 85%에 이를 정도로 중심 클러스터 부근에서 상당한 불완전성이 존재한다.
• W-R 및 Of/WN 별들은 총 이온화 복사원의 약 40%와 풍압 복사원의 약 50%를 기여한다. 이는 별의 수가 31개에 불과함에도 불구하고 매우 높은 기여도를 보인다.
• 초기 질량가 100 M⊙를 초과하는 별들(주로 H-rich WN 별들)은 이온화 복사원과 풍압 복사원 각각 약 25%를 기여한다.
• Starburst99는 R136의 이온화 복사원을 약 2배, 풍압 복사원을 약 9배 과소평가하고 있으며, 이는 매우 질량이 큰 별들이 누락되어 있기 때문이다.
• 추정된 별 형성률은 0.073 ± 0.04 M⊙ yr⁻¹이며, Hα 흡수 보정 후 far-UV 및 Hα + 중간 적외선 지표와 일치한다. 이는 약 6%의 광자 탈출율(6⁺⁵⁵₋₆%)을 의미하며, 상당한 이온화 복사 출력 유출이 일어나고 있음을 시사한다.