[논문 리뷰] The Contribution of Stellar Winds to Cosmic Ray Production

Jeongbhin Seo, Hyesung Kang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 20.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 3인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 실제 풍속 파am터와 별의 진화 모델을 사용하여 은하수에서 고에너지 우주선(CR) 생성에 기여하는 대질량 별의 별풍의 기여를 정량화한다. 초신성 폭발이 여전히 주요 CR 기여원임을 확인하나, 특히 O형 주계열 별의 초신성 이전 풍속은 약 1.1×10⁴¹ erg s⁻¹의 상당한 기계적 에너지를 공급하며, 종말 및 충돌하는 충격파에서의 확산 충격 가속 메커니즘을 통해 우주선 가속에 중요한 보조 역할을 할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Massive stars blow powerful stellar winds throughout their evolutionary stages from the main sequence to Wolf-Rayet phases. The amount of mechanical energy deposited in the interstellar medium by the wind from a massive star can be comparable to the explosion energy of a core-collapse supernova that detonates at the end of its life. In this study, we estimate the kinetic energy deposition by massive stars in our Galaxy by considering the integrated Galactic initial mass function and modeling the stellar wind luminosity. The mass loss rate and terminal velocity of stellar winds during the main sequence, red supergiant, and Wolf-Rayet stages are estimated by adopting theoretical calculations and observational data published in the literature. We find that the total stellar wind luminosity due to all massive stars in the Galaxy is about $L_w\approx 1.1 imes 10^{41}$ erg/s, which is about 1/4 of the power of supernova explosions, $L_{SN} \approx 4.8 imes 10^{41}$ erg/s. If we assume that $\sim 1-10$ % of the wind luminosity could be converted to Galactic cosmic rays (GCRs) through collisonless shocks such as termination shocks in stellar bubbles and superbubbles, colliding-wind shocks in binaries, and bow-shocks of massive runaway stars, stellar winds might be expected to make a significant contribution to GCR production, though lower than that of supernova remnants.

연구 동기 및 목표

• 대질량 별(M > 10 M☉)의 별풍이 은하계 우주선(GCR) 생성에 기여하는 비율을 평가하기 위해.
• 실제 질량 손실 및 속도 관계를 기반으로 주계열, 적초거대형, 월프-레이너 별 단계에서의 기계적 에너지 투입을 정량화하기 위해.
• 전체 은하 전체의 별풍 발광도를 추정하고, 초신성 에너지 입력과 비교하여 우주선 가속에서의 역할을 평가하기 위해.
• 별풍에 의한 충격파(종말 충격, 충돌 풍속, 버드샷)가 초신성 이외의 중요한 보조 우주선 기여원이 될 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 초기 질량에 따라 별 탄생률을 모델링하기 위해 ξ(m) ∝ m⁻².⁶를 사용하는 통합은하계 초기 질량 함수(IGIMF)를 채택한다.
• Vink 등(2000, 2001), Krtička(2014) 및 기타 연구를 기반으로 질량 손실률 ẋM과 최종 속도 v∞를 별의 질량 M의 함수로 설정한다.
• 풍속 발광도 Lw = ½ ẋM v∞²를 계산하고, 각 진화 단계(MS, RSG, WR)에 대해 시간 적분 에너지 Ew,k(m) = Lw,k(m) × τk를 계산한다.
• Ekström 등(2012)의 별 진화 모델을 적용하여 현재 질량 M(t)를 初기 질량 m에 연결하고 각 단계의 수명 τk를 계산한다.
• 각 단계에 속한 별의 수 Nk(m) = N(m) × τk / τ을 사용하여 전체 은하 전체의 별풍 발광도 ℒw를 추정한다.
• 최종적으로 얻어진 별풍 발광도를 초신성 발광도(ℒSN ≈ 4.8×10⁴¹ erg s⁻¹)와 비교하고, 우주선 생성 잠재력 평가를 위해 보수적인 1–10%의 우주선 가속 효율을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수에서 주계열, 적초거대형, 월프-레이너 단계 동안 별풍의 총 기계적 에너지 투입은 얼마인가?
• RQ2 초기 별 질량과 진화 단계에 따라 별풍 발광도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 별풍이 초신성과 비교하여 전체 은하 기계적 에너지 예산에서 차지하는 비율은 얼마인가?
• RQ4 합리적인 우주선 가속 효율을 가정할 때, 별풍에 의한 충격파(종말, 충돌 풍속, 버드샷)가 초신성 이외의 중요한 보조 우주선 기여원이 될 수 있는가?
• RQ5 MS, RSG, 또는 WR 중 어느 진화 단계가 총 별풍 에너지 투입과 우주선 생성 잠재력에 가장 기여하는가?

주요 결과

• O형 주계열 별의 은하 전체 별풍 발광도(ℒw,MS_O ≈ 7.3×10⁴⁰ erg s⁻¹)는 모든 단계 중에서 가장 높으며, WR 별(ℒw,WR ≈ 4.1×10⁴⁰ erg s⁻¹)을 초월한다.
• 초기 질량 m ≳ 40 M☉인 별들에 대해선 주계열 단계에서의 시간 적분 풍속 에너지(Ew,MS ≈ 10⁵⁰–10⁵¹ erg)가 수명이 더 길어 WR 단계의 에너지보다 초월한다.
• 전체 은하 전체의 별풍 기계적 발광도는 약 ℒw ≈ 1.1×10⁴¹ erg s⁻¹로 추정되며, 이는 초신성 발광도(ℒSN ≈ 4.8×10⁴¹ erg s⁻¹)의 약 23%에 해당한다.
• 고질량 별에서 WR 단계 동안의 별풍 발광도는 최대 Lw,WR ≈ 10³⁹ erg s⁻¹에 이르며, 이는 입자 가속에 적합한 강력한 충격 환경을 나타낸다.
• 초신성보다 총 에너지가 낮지만, 특히 O형 주계열 별의 별풍은 확산 충격 가속 메커니즘을 통해 우주선 가속에 기여할 수 있는 상당한 기계적 에너지를 공급한다.
• 보수적인 1–10%의 우주선 가속 효율을 적용할 경우, 별풍에 의한 충격파는 관측된 GCR 에너지 밀도를 유지하는 데 초신성 이외의 주요 보조 기여원으로 확인된다.