[論文レビュー] New predictions for radiation-driven, steady-state mass-loss and wind-momentum from hot, massive stars III. Updated mass-loss rates for stellar evolution

R. Björklund, J. O. Sundqvist+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、非局所熱力学的平衡（NLTE）放射移動と定常状態流体力学モデルに基づき、理論的に導出された、高温で質量の大きな星のための新しい質量放出規則を提示する。標準モデルと比較して、O星では質量放出率が約3倍低下し、やや冷たいB超巨星では最大2桁低下することが判明した。また、二重安定性ジャンプの兆候は見られず、星の進化軌道におけるブラックホール質量が高くなる。

ABSTRACT

Massive stars lose a large fraction of their mass to radiation-driven winds throughout their entire life. These outflows impact both the life and death of these stars and their surroundings. Theoretical mass-loss rates of hot, massive stars are derived to be used in applications such as stellar evolution. The behaviour of these rates in the OB-star regime is analysed, and their effects on massive-star evolution predictions is studied. Dynamically-consistent models are computed by solving the spherically symmetric, steady-state equation-of-motion for a large grid of hot, massive stars. The radiative acceleration is derived from non-local thermodynamic equilibrium radiative transfer in the co-moving frame. The resulting mass-loss rates are used to derive a simple scaling recipe with stellar parameters and to evaluate some first impacts upon evolution tracks. We provide a new prescription for steady-state, radiation-driven mass-loss from hot, massive stars depending on their fundamental parameters. The rates for O-stars are lower by about a factor ~3 than the rates typically used in previous stellar-evolution calculations, where differences generally decrease with increasing luminosity and temperature. For cooler B-giants/supergiants we find larger discrepancies. This arises because we do not find any systematic increase in mass-loss rates below the so-called bi-stability region; indeed, our results do not show any sign of a significant bi-stability jump within the parameter range covered by the grid. Due to the lower mass-loss rates we find that envelopes are not easily stripped by means of standard steady-state winds, making it difficult to create classical Wolf-Rayet stars via this channel. However, a remaining key uncertainty regarding these predictions concerns unsteady mass loss for very high-luminosity stars close to the Eddington limit as well as the impact of non-line-driven winds.

研究の動機と目的

• NLTE放射移動と定常状態流体力学を用いて、理論的に根拠のある高温で質量の大きな星のための新しい質量放出規則を開発すること。
• 観測的実測値と標準的な質量放出レシピとの間の矛盾、特にVinkら（2001）のレシピで過大評価されている二重安定性ジャンプを解消すること。
• 低減された質量放出率が、質量の大きな星の進化に与える影響、特にWolf-Rayet星の形成とブラックホール残渣の形成に与える影響を評価すること。
• 光度、質量、効果的温度、金属量を含むパラメータ化されたスケーラブルなレシピを、星の進化コードでの利用を想定して提供すること。
• 重力波観測による高質量ブラックホール連星の文脈におけるブラックホール質量予測への影響を評価すること。

提案手法

• さまざまな光度、質量、効果的温度、金属量を有する高温で質量の大きな星のための、球対称で定常状態の大気および風モデルのグリッド計算。
• 共動フレームにおけるNLTE放射移動を用いて、風構造全体の放射加速度を計算する運動方程式を解く。
• 音速から非常に高速な流れに至るまで、風構造を自己自己一貫的に決定することで、力学的整合性を確保する。
• 星の光度、効果的温度、星の質量、金属量の関数としての質量放出率の新しい経験則的スケーリングレシピ（式4）を導出する。
• クラスタ型質量放出測定値および電波診断法を含む観測データとの妥当性評価。
• 新しい質量放出レシピを用いた星の進化モデルの計算を行い、標準モデルと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的整合的で定常状態の枠組みにおいて、高温で質量の大きな星の放射駆動型質量放出率は、光度、効果的温度、星の質量、金属量にどのように依存するか？
• RQ2 冷たいO型およびB型星において、質量放出率を1桁以上増加させる予測としての二重安定性ジャンプは、NLTE風モデルにおいて実際に発生するか？
• RQ3 定常状態風による古典的Wolf-Rayet星の形成に、低減された質量放出率がどのような影響を与えるか？
• RQ4 新しい質量放出レシピは、特に高金属量において、質量の大きな星の進化における最終的ブラックホール質量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測的制約（例：電波診断法、Hα線発光）は、Vinkら（2001）のレシピと比較して、新しい理論的予測をどの程度支持するか？

主な発見

• 新しい質量放出レシピでは、広く用いられているVinkら（2001）のレシピと比較して、O星の質量放出率が約3倍低下する。この差は、より高光度で高温の星では小さくなる。
• やや冷たいB巨星および超巨星（T_eff ≥ 15 kK）では、標準モデルとの差が最大で1〜2桁にまで拡大する。これは、新しいモデルに二重安定性ジャンプがないためである。
• カバーされたパラメータ範囲（T_eff ≥ 15 kK）において、顕著な二重安定性ジャンプは確認されず、これはVink ら（2000）のレシピがこの温度範囲で質量放出率の大幅な増加を予測しているのとは対照的である。
• Hαおよび電波診断法からの観測的証拠は、二重安定性ジャンプが強くないことを裏付けており、質量放出率にそれに対応する増加は観測されない。
• 新しいレシピを用いた星の進化モデルでは、水素を豊富に含む外層がより効果的に保持されるため、定常状態風による単一星の古典的Wolf-Rayet星への進化が困難になる。
• 低減された質量放出率により、より質量の大きなコアが重力崩壊に至るまで生存するようになり、銀河内金属量でもより大きなブラックホールの形成が可能になる。これは、重力波イベントで観測された高質量ブラックホールを説明するのに役立つ。