[论文解读] Stellar evolution with rotation XI: Wolf-Rayet star populations at different metallicities

G. Meynet, A. Maeder|ArXiv.org|Aug 18, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 33被引用 323

一句话总结

本文针对金属丰度（Z = 0.004 至 0.040）构建了旋转大质量恒星模型，以研究沃尔夫-拉叶（WR）星种群。模型中包含旋转、旋转混合以及增强的质量损失，结果显示旋转可降低进入WR演化阶段的最小质量，延长WR星的寿命，尤其是eWNL阶段，并且在重现观测到的WR/O星比例、WN/WC比例以及Ib/Ic型超新星与II型超新星的分数方面，优于非旋转模型。结果证实旋转在不同金属丰度下对匹配观测结果至关重要。

ABSTRACT

Grids of models of massive stars ($M \ge$ 20 $M_\odot$) with rotation are computed for metallicities $Z$ ranging from that of the Small Magellanic Cloud (SMC) to that of the Galactic Centre. The hydrostatic effects of rotation, the rotational mixing and the enhancements of the mass loss rates by rotation are included. The evolution of the surface rotational velocities of the most massive O--stars mainly depends on the mass loss rates and thus on the initial $Z$ value. The minimum initial mass for a star for entering the Wolf--Rayet (WR) phase is lowered by rotation. For all metallicities, rotating stars enter the WR phase at an earlier stage of evolution and the WR lifetimes are increased, mainly as a result of the increased duration of the eWNL phase. Models of WR stars predict in general rather low rotation velocities ($ < 50$ km s$^{-1}$) with a few possible exceptions, particularly at metallicities lower than solar where WR star models have in general faster rotation and more chance to reach the break--up limit.The properties of the WR populations as predicted by the rotating models are in general in much better agreement with the observations in nearby galaxies. The observed variation with metallicity of the fractions of type Ib/Ic supernovae with respect to type II supernovae as found by Prantzos & Boissier (\cite{Pr03}) is very well reproduced by the rotating models, while non--rotating models predict much too low ratios.

研究动机与目标

• 研究恒星旋转如何影响不同金属丰度下的沃尔夫-拉叶（WR）星种群。
• 检验旋转模型能否重现邻近星系中观测到的WR/O星数量比、WN/WC比以及过渡相分数。
• 研究旋转对质量损失、表面元素丰度以及核心塌缩时最终质量的影响。
• 评估旋转在解释Ib/Ic型与II型超新星比例随金属丰度变化方面的作用。
• 确定单星演化中考虑旋转是否足以解释低金属丰度环境（如大麦哲伦云）中的WR星，从而挑战双星质量转移占主导地位的观点。

提出的方法

• 计算了金属丰度 Z = 0.004（大麦哲伦云）、0.008、0.020（太阳）和 0.040（银河系中心）下初始质量 M ≥ 20 M☉ 的旋转大质量恒星模型网格。
• 引入旋转的流体静力效应、旋转混合（如经圈对流和剪切混合），以及由旋转引起的增强质量损失率。
• 追踪表面氢质量分数（Xs）和（C+O）/He比值随光度的变化，以识别WR阶段及其亚型。
• 采用Smith & Maeder（1991）的分类方法，将（C+O）/He比值映射至WC亚型，并与观测结果比较。
• 分析演化轨迹，确定WR阶段（尤其是eWNL和WC阶段）的寿命以及核心塌缩时的最终质量。
• 将模型预测与不同金属丰度下观测到的WR/O比例、WN/WC比例以及Ib/Ic型与II型超新星的分数进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转如何影响不同金属丰度下恒星进入沃尔夫-拉叶阶段所需的最小初始质量？
• RQ2 旋转模型在 Z = 0.004 至 Z = 0.040 的金属丰度范围内，能在多大程度上重现观测到的WR星与O型星的数量比？
• RQ3 旋转模型能否解释WN与WC亚型的观测分布，特别是低金属丰度下晚期WC星的缺失？
• RQ4 旋转如何影响处于WN/WC过渡阶段的WR星比例？该结果是否与观测一致？
• RQ5 旋转模型是否能重现Prantzos & Boissier（2003）报告的Ib/Ic型与II型超新星比例随金属丰度的变化？

主要发现

• 旋转降低了恒星进入沃尔夫-拉叶阶段所需的最小初始质量，使所有金属丰度下更多大质量恒星能够演化为WR星。
• 旋转模型延长了WR星的寿命，主要通过延长eWNL阶段实现；模型预测的表面旋转速度通常低于50 km s⁻¹，但在低金属丰度下可能出现更快的旋转。
• 在 Z = 0.040 时，初始质量超过50 M☉ 的恒星在核心塌缩时的最终质量为5–7.5 M☉；而在 Z = 0.004（大麦哲伦云）时，最终质量范围为17–29 M☉，表明存在强烈的金属丰度依赖性。
• 模型成功重现了观测趋势：晚期WC星仅在高金属丰度下存在；这是由于高金属丰度导致WC阶段开始时的光度较低，且WN阶段更长。
• 旋转模型成功重现了Ib/Ic型与II型超新星比例随金属丰度变化的观测结果，而非旋转模型则预测该比例显著偏低。
• 初始质量经过Luminous Blue Variable（LBV）阶段的区间随金属丰度和初始旋转速率（Ω）而变化，表明质量损失与旋转之间存在复杂的相互作用。