[논문 리뷰] Wind properties of variable B supergiants

M. Haucke, L. S. Cidale외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 106인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 비-비등방성(Non-LTE) 합성 선형형상 피팅을 통해 FAST-WIND 코드를 사용하여 은하수 B형 초거성의 바람 변동성을 조사하며, 6일 이상의 주기로 발생하는 축방향 진동이 질량 손실 변동성을 주도할 가능성이 있음을 밝혀냈다. 주요 발견으로는 10~100일 단위의 광도 및 스펙트로스코픽 변동성과 질량 손실 진폭 사이의 새로운 경험적 연관성이 확인되었고, 이중 안정성 점프의 냉각 측면에 위치한 별들은 유사하거나 낮은 질량 손실률을 유지하면서도 V∞/Vesc가 감소함을 보이며, 이는 증가된 바람 응집 또는 이온화 효과를 시사한다.

ABSTRACT

Context. Variable B supergiants (BSGs) constitute a heterogeneous group of stars with complex photometric and spectroscopic behaviours. They exhibit mass-loss variations and experience different types of oscillation modes, and there is growing evidence that variable stellar winds and photospheric pulsations are closely related. Aims. To discuss the wind properties and variability of evolved B-type stars, we derive new stellar and wind parameters for a sample of 19 Galactic BSGs by fitting theoretical line profiles of H, He, and Si to the observed ones and compare them with previous determinations. Methods. The synthetic line profiles are computed with the non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) atmosphere code FASTWIND, with a β-law for hydrodynamics. Results. The mass-loss rate of three stars has been obtained for the first time. The global properties of stellar winds of mid/late B supergiants are well represented by a β-law with β > 2. All stars follow the known empirical wind momentum–luminosity relationships, and the late BSGs show the trend of the mid BSGs. HD 75149 and HD 99953 display significant changes in the shape and intensity of the Hα line (from a pure absorption to a P Cygni profile, and vice versa). These stars have mass-loss variations of almost a factor of 2.8. A comparison among mass-loss rates from the literature reveals discrepancies of a factor of 1 to 7. This large variation is a consequence of the uncertainties in the determination of the stellar radius. Therefore, for a reliable comparison of these values we used the invariant parameter Qr. Based on this parameter, we find an empirical relationship that associates the amplitude of mass-loss variations with photometric/spectroscopic variability on timescales of tens of days. We find that stars located on the cool side of the bi-stability jump show a decrease in the ratio V∞∕Vesc, while their corresponding mass-loss rates are similar to or lower than the values found for stars on the hot side. Particularly, for those variable stars a decrease in V∞∕Vesc is accompanied by a decrease in Ṁ. Conclusions. Our results also suggest that radial pulsation modes with periods longer than 6 days might be responsible for the wind variability in the mid/late-type. These radial modes might be identified with strange modes, which are known to facilitate (enhanced) mass loss. On the other hand, we propose that the wind behaviour of stars on the cool side of the bi-stability jump could fit with predictions of the δ−slow hydrodynamics solution for radiation-driven winds with highly variable ionization.

연구 동기 및 목표

• 합성 선형형상 피팅을 통해 19개의 은하수 B형 초거성에 대한 정확한 별 및 바람 파arameter를 유도하기 위해.
• 진화한 B형 항성에서 대기층 진동과 변동성이 있는 별 바람 사이의 관계를 조사하기 위해.
• 반경에 의존하는 불확실성 문제를 최소화하기 위해 질량 손실률 결정의 불일치를 해결하기 위해 불변 파rameter Qr를 도입하기 위해.
• 특히 V∞/Vesc 및 질량 손실률에 영향을 미치는 이중 안정성 점프의 영향을 탐색하기 위해.
• 중간/후기 B형 초거성에서 바람 변동성을 이끄는 진동 모드를 규명하기 위해.

제안 방법

• 비-등방성 대기 코드 FAST-WIND를 사용하여 H, He, Si 선형형상을 β-법칙에 따라 바람 속도 구조를 적용해 계산하였다.
• 관측 스펙트럼에 합성 선형형상을 피팅함으로써 항성 및 바람 파arameter(Teff, log g, β, Ṁ, V∞, 미세 turbulence, 매크로 turbulence, Vsin i, R⋆)를 유도하였다.
• 질량 손실률의 정규화 및 불확실한 항성 반경 추정치에 대한 의존도 감소를 위해 불변 파arameter Qr = Ṁ × V∞ × R⋆⁻¹을 사용하였다.
• 모든 샘플에서 바람 운동량-광도 관계(WLR)를 검증하여 바람 모델의 일관성을 확인하였다.
• Hα 선형형상의 변동성(P Cygni 대비 흡수)을 분석하여 시간에 따른 질량 손실률 변화를 정량화하였다.
• 문헌에서의 진동 주기 및 새로운 피팅 결과를 바탕으로 바람 변동성과 연관지어 주요 진동 모드를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간/후기 B형 초거성에서 축방향 진동 모드와 바람 변동성 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ2 다양한 관측 트레이서를 통해 유도된 질량 손실률는 어떻게 비교되며, 문헌에서 관찰되는 큰 불일치는 무엇에 기인하는가?
• RQ3 이중 안정성 점프를 기준으로 바람 특성(특히 V∞/Vesc 및 Ṁ)은 어떻게 변화하며, 관측된 경향을 설명하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 반경에 대한 불확실성에도 불구하고, 불변 파arameter Qr는 다양한 연구 간 질량 손실률 비교에 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?
• RQ5 이상 진동 모드는 진화한 B형 초거성에서 시간에 따라 변하는 질량 손실을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 이 연구에서 샘플 내 세 개의 B형 초거성에 대해 처음으로 질량 손실률가 유도되었으며, 이는 이 계열의 파arameter 커버리지가 향상됨을 의미한다.
• 모든 중간/후기 B형 초거성은 β > 2를 만족하여 고도로 가속된 바람을 가지며, 모든 항성이 경험적 바람 운동량-광도 관계를 만족한다.
• HD 75149와 HD 99953는 Hα 선형형상이 순수 흡수에서 P Cygni 형태로, 다시 흡수 형태로 변하는 것을 보이며, 이는 질량 손실률이 약 2.8배로 시간에 따라 변화함을 시사한다.
• 불변 파arameter Qr를 사용하여, 수십 일 단위의 광도/스펙트로스코픽 변동성과 질량 손실 변화 진폭 사이의 새로운 경험적 관계를 발견하였다.
• 이중 안정성 점프의 냉각 측면에 위치한 별들은 유사하거나 낮은 질량 손실률을 유지하면서도 V∞/Vesc가 크게 감소(약 2.6에서 약 1.3으로)함을 보였다.
• 냉각 측면에서 관측된 V∞/Vesc 감소는 Ṁ 감소와 상관관계를 보이며, 증가된 바람 응집 또는 이온화 효과(예: δ−slow 유체역학)가 작용할 수 있음을 시사하며, 이는 비정적 복사력 기반 바람 모델의 예측과 일치한다.