[논문 리뷰] Very low metallicity massive star models: Pre-SN evolution and primary nitrogen production

Raphaël Hirschi|arXiv (Cornell University)|2006. 08. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 61인용 수 137

한 줄 요약

이 논문은 극도로 낮은 금속성에서 (Z = 10⁻⁸) 회전하는 거대한 별 모델을 제시하여 초저금속성 별의 표면 농도를 설명한다. 회전은 CNO 순환 혼합과 질량 손실을 유도하며, 이는 주로 질소 생성과 WO형 월프레이터 별의 형성을 이끌고, 매우 낮은 금속성에서 Ic 초신성과 잠재적인 장수명 연속형 감마선 폭발을 예측한다.

ABSTRACT

Two series of models were computed. The first series consists of 20 solar mass models with varying initial metallicity (Z=0.02 down to Z=10^{-8}) and rotation (V_{ini}=0-600 km/s). The second one consists of models with an initial metallicity of Z=10^{-8}, masses between 9 and 85 solar masses and fast initial rotation velocities (V_{ini}=600-800 km/s). The most interesting models are the models with Z=10^{-8} ([Fe/H]~-6.6). In the course of helium burning, carbon and oxygen are mixed into the hydrogen burning shell. This boosts the importance of the shell and causes a reduction of the CO core mass. Later in the evolution, the hydrogen shell deepens and produces large amount of primary nitrogen. For the most massive models (M>~60 solar masses), significant mass loss occurs during the red supergiant stage. This mass loss is due to the surface enrichment in CNO elements via rotational and convective mixing. The 85 solar mass model ends up as a WO type Wolf-Rayet star. Therefore the models predict SNe of type Ic and possibly long and soft GRBs at very low metallicities. The rotating 20 solar mass models can best reproduce the observed CNO abundances at the surface of extremely metal poor (EMP) stars and the metallicity trends when their angular momentum content is the same as at solar metallicity (and therefore have an increasing surface velocity with decreasing metallicity). The wind of the massive star models can also reproduce the CNO abundances of the most metal-poor carbon-rich star known to date, HE1327-2326.

연구 동기 및 목표

• 초저금속성(EMP) 별의 관측된 표면 농도, 특히 주로 질소가 과잉 생성된 현상을 설명하기 위해.
• 거대 별의 초신성 이전 진화에서 회전과 금속성의 역할을 조사하기 위해.
• 거대 별의 별풍이 알려진 가장 저금속성 별인 HE1327-2326의 CNO 농도를 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 매우 낮은 금속성에서 거대 별이 WO형 월프레이터 별로 진화하고, 잠재적인 장수명 감마선 폭발이 발생할 수 있는 조건을 평가하기 위해.
• 은하 화학 진화 모델을 위한 경량 원소의 별 yields를 제공하기 위해.

제안 방법

• 초기 금속성 Z = 0.02에서 Z = 10⁻⁸까지, 그리고 0에서 600 km s⁻¹까지의 회전 속도를 가진 20 M☉ 모델을 계산하였다.
• Z = 10⁻⁸에서 질량이 9에서 85 M☉인 모델을 고초기 회전(600–800 km s⁻¹)으로 계산하였다.
• 산소 연소 이후로는 확산 대류와 오버슈트(α = 0.1 H_P)를 고려한 별 진화 코드를 사용하였다.
• NACRE 반응률을 적용하고, Y_p = 0.24이며 ΔY/ΔZ = 2.5인 태양 유사 초기 조성을 사용하였다.
• 헬륨 연소와 수소 껍질 연소 기간 동안 표면 농도를 추적하여 CNO 생성과 질량 손실에 집중하였다.
• EMP 별의 관측 농도(HE1327-2326 및 CS22949-037 포함)와 비교하기 위해 별풍과 핵의 yields를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z = 10⁻⁸에서 거대 별의 회전이 초저금속성 별에서 관측된 주로 질소 과잉 생성 현상을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 저금속성 거대 별에서 회전과 대류 혼합이 질량 손실과 표면 농도 증가에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 Z = 10⁻⁸에서 거대 별의 별풍 조성이 가장 저금속성 별인 HE1327-2326의 CNO 농도를 재현할 수 있는가?
• RQ4 초기 질량와 금속성이 어느 정도일 경우 거대 별이 WO형 월프레이터 별로 진화하며, Ic 초신성과 감마선 폭발 형성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 이러한 모델에서 경량 원소(C, N, O)의 yields가 관측 결과와 은하 화학 진화 제약 조건과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Z = 10⁻⁸에서, 헬륨 연소 기간 동안의 회전 혼합으로 탄소와 산소가 수소 연소 층으로 이동하여 CO 핵 질량이 감소한다.
• 후기 진화 단계에서 깊어지는 수소 껍질 연소가 대량의 주로 질소를 생성하여, EMP 별에서 관측된 질소 과잉 현상을 설명한다.
• M ≥ 60 M☉일 경우, 회전과 혼합에 의해 표면이 CNO 원소로 농도가 증가하면서 적초거대성 단계에서 상당한 질량 손실이 발생한다.
• 85 M☉ 모델은 WO형 월프레이터 별로 진화하며, 이는 매우 낮은 금속성에서도 이러한 별이 형성될 수 있음을 시사한다.
• 이 모델들은 Z = 10⁻⁸에서 거대 별이 Ic 초신성과 잠재적으로 장수명 연속형 감마선 폭발을 생성할 수 있음을 예측한다.
• 85 M☉ 모델의 별풍 조성이 HE1327-2326의 탄소, 질소, 산소 농도와 일치하여, 이 별이 단일 Pop II.5 별에 의해 풍부화된 물질에서 형성되었을 가능성을 뒷받침한다.