[论文解读] New predictions for radiation-driven, steady-state mass-loss and wind-momentum from hot, massive stars II. A grid of O-type stars in the Galaxy and the Magellanic Clouds

R. Björklund, J. O. Sundqvist+2 more|Lirias (KU Leuven)|Aug 13, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用 7

一句话总结

本研究基于共动参考系（CMF）非局部热动平衡（NLTE）辐射转移，为银河系及大、小麦哲伦云中的O型星构建了一组自洽的、稳态的辐射驱动星风模型，计算了质量损失率与动量损失率。研究发现，质量损失率与恒星光度的关系为 $\dot{M} \sim L_*^{2.2}$，与金属丰度的关系为 $\dot{M} \sim Z_*^{0.95}$，且其值系统性地比恒星演化模型中常用的数值低2至3倍，这些更低的速率与考虑星风团块化的观测结果更为一致。

ABSTRACT

Reliable predictions of mass-loss rates are important for massive-star evolution computations. We aim to provide predictions for mass-loss rates and wind-momentum rates of O-type stars, carefully studying the behaviour of these winds as functions of stellar parameters like luminosity and metallicity. We use newly developed steady-state models of radiation-driven winds to compute the global properties of a grid of O-stars. The self-consistent models are calculated by means of an iterative solution to the equation of motion using full NLTE radiative transfer in the co-moving frame to compute the radiative acceleration. In order to study winds in different galactic environments, the grid covers main-sequence stars, giants and supergiants in the Galaxy and both Magellanic Clouds. We find a strong dependence of mass-loss on both luminosity and metallicity. Mean values across the grid are $\dot{M}\sim L_{\ast}^{2.2}$ and $\dot{M}\sim Z_{\ast}^{0.95}$, however we also find a somewhat stronger dependence on metallicity for lower luminosities. Similarly, the mass loss-luminosity relation is somewhat steeper for the SMC than for the Galaxy. In addition, the computed rates are systematically lower (by a factor 2 and more) than those commonly used in stellar-evolution calculations. Overall, our results agree well with observations in the Galaxy that account properly for wind-clumping, with empirical $\dot{M}$ vs. $Z_\ast$ scaling relations, and with observations of O-dwarfs in the SMC. Our results provide simple fit relations for mass-loss rates and wind momenta of massive O-stars stars as functions of luminosity and metallicity, valid in the range $T_{ m eff} = 28000 - 45000$\,K. Due to the systematically lower $\dot{M}$, our new models suggest that new rates might be needed in evolution simulations of massive stars.

研究动机与目标

• 为不同星系环境中的O型星提供可靠且物理解释一致的质量损失率与动量损失率预测。
• 利用自洽的辐射驱动星风模型，研究质量损失对光度与金属丰度的依赖关系。
• 解决标准质量损失律与观测数据之间的差异，特别是受星风团块化影响的观测数据。
• 评估较低预测质量损失率对大质量恒星演化及沃尔夫-拉叶星形成的影响。
• 为恒星演化模拟提供质量损失率与动量损失率关于光度与金属丰度的新拟合关系式。

提出的方法

• 本研究采用迭代求解运动方程的方法，结合共动参考系（CMF）中的全NLTE辐射转移，构建了稳态星风模型的网格。
• 辐射加速度通过线力形式理论计算，不假设线力分布函数，确保流体动力学一致性。
• 模型覆盖了银河系、大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）中主序星、巨星及超巨星阶段的O型星，涵盖三种金属丰度：银河系（Z ≈ Z⊙）、LMC（Z ≈ 0.5Z⊙）和SMC（Z ≈ 0.2Z⊙）。
• 通过与星风动量率（WLR）的观测标度关系及考虑星风团块化的经验质量损失率进行模型验证。
• 基于模型网格，采用光度 $L_*$ 与金属丰度 $Z_*$ 的幂律依赖关系，推导出 $\dot{M}$ 与动量损失率的拟合关系式。
• 该方法避免了对线力的参数化假设，可直接与经过团块化修正的观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用全CMF NLTE辐射转移的辐射驱动星风模型，如何预测不同金属丰度下O型星的质量损失率？
• RQ2 质量损失率对恒星光度与金属丰度的依赖关系如何？与经验标度关系相比有何异同？
• RQ3 为何预测的质量损失率系统性地低于标准恒星演化代码（如Vink et al. 2000, 2001）中广泛采用的数值？
• RQ4 新预测结果在多大程度上与银河系及大、小麦哲伦云中O型星的观测结果一致，特别是经过星风团块化修正后？
• RQ5 较低的预测质量损失率对沃尔夫-拉叶星形成及大质量恒星演化有何影响？

主要发现

• 质量损失率与光度的关系为 $\dot{M} \sim L_*^{2.2}$，表明其对光度的依赖关系比标准模型中假设的更陡峭。
• 平均而言，金属丰度依赖关系为 $\dot{M} \sim Z_*^{0.95}$，但在低光度区域该斜率增大，表明在低光度区域对金属丰度的敏感性更强。
• SMC中O型主序星的星风动量率（WLR）关系显示出斜率的明显变化，表明在低金属丰度环境中弱星风的出现。
• 预测的质量损失率比恒星演化代码中广泛采用的Vink et al. (2000, 2001) 规律系统性地低2倍或更多。
• 新预测与考虑星风团块化的银河系经验质量损失率以及Mokiem et al. (2007) 对大、小麦哲伦云的标度关系均具有良好一致性。
• 结果表明，当前的恒星演化模拟可能需要更新质量损失率，以更准确地模拟大质量恒星演化，特别是关于自转减慢时间与沃尔夫-拉叶星前体质量的演化。