[논문 리뷰] X-Shooting ULLYSES: Massive stars at low metallicity. III. Terminal wind speeds of ULLYSES massive stars

C. Hawcroft, H. Sana외 27명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ULLYSES 조사에서 확보한 허블 우주 망원경의 우주선 스펙트럼을 사용하여 대마젤란운성과 소마젤란운성의 186개의 거대 항성에서 궁극적 바람 속도($v_\infty$)를 측정한다. $v_\infty$와 표면 탈출 속도 사이에 선형 관계가 존재하며, LMC에서는 $v_\infty/v_{\text{esc}} = 2.4 \pm 0.4$, SMC에서는 $2.0 \pm 0.6$로 나타나고, 금속성에 대한 의존성은 $v_\infty \propto Z^{0.22 \pm 0.03}$로 나타나 최근의 모델과 일치한다.

ABSTRACT

The winds of massive stars have an impact on stellar evolution and on the surrounding medium. The maximum speed reached by these outflows, the terminal wind speed, is a global wind parameter and an essential input for models of stellar atmospheres and feedback. With the arrival of the ULLYSES programme, a legacy UV spectroscopic survey with HST, we have the opportunity to quantify the wind speeds of massive stars at sub-solar metallicity (in the Large and Small Magellanic Clouds, 0.5Z and 0.2Z) at an unprecedented scale. We empirically quantify the wind speeds of a large sample of OB stars, including supergiants, giants, and dwarfs at sub-solar metallicity. Using these measurements, we investigate trends of terminal wind speed with a number of fundamental stellar parameters, namely effective temperature, metallicity, and surface escape velocity. We empirically determined the terminal wind speed for a sample of 149 OB stars in the Magellanic Clouds either by directly measuring the maximum velocity shift of the absorption component of the Civ 1548-1550 line profile, or by fitting synthetic spectra produced using the Sobolev with exact integration method. Stellar parameters were either collected from the literature, obtained using spectral-type calibrations, or predicted from evolutionary models. We find strong trends of terminal wind speed with effective temperature and surface escape speed when the wind is strong enough to cause a saturated P Cygni profile in Civ 1548-1550. We find evidence for a metallicity dependence on the terminal wind speed proportional to Z^0.22+-0.03 when we compared our results to previous Galactic studies. Our results suggest that effective temperature rather than surface escape speed should be used as a straightforward empirical prediction of terminal wind speed and that the observed metallicity dependence is steeper than suggested by earlier works.

연구 동기 및 목표

• 대마젤란운성과 소마젤란운성에서 태양 금속성 이하의 환경에서 거대 항성의 궁극적 바람 속도($v_\infty$)를 경험적으로 정량화하는 것.
• $v_\infty$가 탈출 속도, 효율 온도, 금속성 등의 항성 파라미터에 어떻게 의존하는지 조사하는 것.
• 경험적 경향을 이론적 예측과 비교하여 $v_\infty$ 추정 방법의 신뢰성 평가

제안 방법

• 허블 우주 망원경의 고해상도 우주선 스펙트럼에서 C IV λ1548–1550 공명 이중선의 파장 우측 경계를 이용해 $v_\infty$를 측정하였다.
• 합성 스펙트럼의 격자와 프로파일 피팅을 사용하여 LMC와 SMC의 186개의 OB 항성에 대해 $v_\infty$를 유도하였다.
• 진화 궤적에서 유도된 항성 질량과 반경 추정치를 기반으로 표면 탈출 속도($v_{\text{esc}}$)를 계산하였다.
• 선형 회귀 분석을 통해 $v_\infty$와 $v_{\text{esc}}$, 효율 온도, 금속성 간의 경향성을 분석하였다.
• RMS(제곱근 평균 제곱) 잔차를 사용하여 $v_\infty$ 추정 방법의 신뢰성 평가를 위해 경향성의 산란을 평가하였다.
• 결과를 이론 모델과 이전 문헌과 비교하여 금속성 의존성에 따라 보정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저금속성 환경에서 거대 항성의 궁극적 바람 속도($v_\infty$)와 표면 탈출 속도($v_{\text{esc}}$) 사이의 경험적 관계는 무엇인가?
• RQ2 $v_\infty$는 효율 온도에 어떻게 의존하는가? 이는 $v_{\text{esc}}$보다 더 신뢰할 수 있는 추정자인가?
• RQ3 $v_\infty$는 금속성에 어떻게 의존하는가? 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 $v_\infty$ 측정값의 산란은 다양한 항성 파라미터에 따라 어떻게 변하는가? 어떤 파라미터가 가장 정밀한 추정치를 제공하는가?

주요 결과

• 대마젤란운성에서는 궁극적 바람 속도와 표면 탈출 속도의 평균 비율이 $v_\infty / v_{\text{esc}} = 2.4 \pm 0.4$이며, 소마젤란운성에서는 $2.0 \pm 0.6$이다.
• $v_\infty$ 대 $v_{\text{esc}}$ 관계의 산란은 $v_\infty$ 대 효율 온도 관계보다 크며, LMC에서는 각각 278 km s⁻¹ 및 351 km s⁻¹의 RMS 값을 보이고, SMC에서는 각각 498 km s⁻¹ 및 700 km s⁻¹이다.
• $v_\infty$ 대 효율 온도 관계는 더 낮은 산란을 보이며, LMC에서는 RMS 237 km s⁻¹, SMC에서는 477 km s⁻¹이다. 이는 온도가 $v_{\text{esc}}$보다 $v_\infty$를 더 신뢰할 수 있는 예측자임을 시사한다.
• 금속성 의존성으로서 $v_\infty \propto Z^{0.22 \pm 0.03}$가 발견되었으며, RMS 산란은 305 km s⁻¹이다. 이는 이론적 예측인 $Z^{0.13}$보다 더 급격한 경향을 보이나, Vink & Sander(2021)의 최근 모델과 일치한다.
• 저온대($21\,\text{kK}$ 이하)에서 $v_\infty / v_{\text{esc}}$에 유의미한 경향성이 없음을 발견하였으며, 이는 낮은 온도에서의 표본 수가 부족하기 때문이다.
• 이 연구 결과는 밀도가 높은 바람을 가진 항성에 대해 가장 신뢰할 수 있으며, 저밀도 바람 항성(예: 저질량 손실률)에는 적용 가능성이 불확실하다.