[논문 리뷰] The extreme scarcity of dust-enshrouded red supergiants: consequences for producing stripped stars via winds

Emma R. Beasor, Nathan Smith|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 70인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 먼지에 둘러싸인 빨간 초거성(DE-RSGs)의 존재와 중요성을 재평가하며, 루비의 은하(LMC) 내에서 유일하게 높은 질량 손실율(>10⁻⁴ M⊙/yr)과 현저한 먼지 투과율을 보이는 RSG는 WOH G64 뿐이라고 결론내린다. 업데이트된 광도 데이터와 DUSTY 모델링을 사용하여 저자들은 DE-RSGs가 매우 희귀하고 짧은 수명을 가지며, 단일 별 진화에서의 역할이 제한되어 있고, RSG의 질량 손실에 의한 스트립드-엔벨로프 초신성의 바람 기반 생성을 배제함을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Quiescent mass-loss during the red supergiant (RSG) phase has been shown to be far lower than prescriptions typically employed in single-star evolutionary models. Importantly, RSG winds are too weak to drive the production of Wolf-Rayets (WRs) and stripped-envelope supernovae (SE-SNe) at initial masses of roughly 20--40$M_{\odot}$. If single-stars are to make WRs and SE-SNe, this shifts the burden of mass-loss to rare dust-enshrouded RSGs (DE-RSGs), objects claimed to represent a short-lived high mass-loss phase. Here, we take a fresh look at the purported DE-RSGs. By modeling the mid-IR excesses of the full sample of RSGs in the LMC, we find that only one RSG has both a high mass-loss rate (\mdot $\ge$ 10$^{-4}$ $M_{\odot}$ yr$^{-1}$) and a high optical circumstellar dust extinction (7.92 mag). This one RSG is WOH G64, and it is the only one of the 14 originally proposed DE-RSGs that is actually dust enshrouded. The rest appear to be either normal RSGs without strong infrared-excess, or lower-mass asymptotic giant branch (AGB) stars. Only one additional object in the full catalog of RSGs (not previously identified as a DE-RSG) shows strong mid-IR excess. We conclude that if DE-RSGs do represent a pre-SN phase of enhanced \mdot\ in single-stars, it is extremely short-lived, only capable of removing $\leq$2\msun\ of material. This rules out the single-star post-RSG pathway for the production of WRs, LBVs, and SE-SN. Single-star models should not employ \mdot-prescriptions based on these extreme objects for any significant fraction of the RSG phase.

연구 동기 및 목표

• van Loon 등(2005)이 제안한 먼지에 둘러싸인 빨간 초거성(DE-RSGs)의 존재와 특성 재평가
• DE-RSGs가 단일 별 진화에서 강화된 질량 손실의 중요한 장기 단계인지 여부 규명
• stellar evolution 모델에서 RSG의 질량 손실 규정식(van Loon 등, 2005)의 타당성 평가
• DE-RSGs의 진화적 영향이 월드-레이너 별성과 스트립드-엔벨로프 초신성 생성에 미치는 영향 정량화
• DE-RSG 단계가 거대 별의 최종 운명을 변화시킬 만큼 충분한 질량을 제거할 수 있는지 평가

제안 방법

• 고해상도 및 감도가 높은 데이터를 확보하기 위해 Davies 등(2018)의 LMC 냉각 초거성 목록에서 업데이트된 광도 데이터 활용
• van Loon 등(2005) 샘플의 14개 RSG의 스펙트럼 에너지 분포(SED)에 DUSTY 복사 전달 모델링 적용
• 중간 적외선 초과와 가시광선 투과율에서 질량 손실율(Ṁ)과 원환성 먼지 투과율 계산
• 모델링된 SED와 질량 손실율을 van Loon 등(2005)의 규정식 및 군집 내 정상 RSG와 비교
• 색깔-광도도를 사용하여 DE-RSGs가 독립된 진화적 순서를 형성하는지 테스트
• 가용한 Spitzer-IRS 데이터를 활용하여 먼지 방출 모델의 유효성 검증

실험 결과

연구 질문

• RQ1 van Loon 등(2005)에서 제안한 DE-RSGs가 진정으로 높은 질량 손실율과 현저한 먼지 투과율을 보이는가?
• RQ2 DE-RSG 단계는 단일 빨간 초거성에서 흔하거나 짧은 수명의 진화 단계인가?
• RQ3 van Loon 등(2005)의 질량 손실 규정식은 단일 별 진화 모델에 신뢰성 있게 적용될 수 있는가?
• RQ4 이러한 단계가 제거할 수 있는 최대 질량은 얼마이며, 그것으로 스트립드-엔벨로프 초신성를 유도할 수 있는가?
• RQ5 DE-RSGs는 진지하게 정상 RSGs나 AGB 항성과 광학적 및 진화적 특성에서 구별되는가?

주요 결과

• LMC 내에서 유일하게 진짜로 먼지에 둘러싸인 RSG는 WOH G64이며, 질량 손실율이 10⁻⁴ M⊙/yr를 초과하고 가시광선 투과율이 7.92 mag이다.
• 추가로 한 명의 후보자(LI-LMC 1100)가 강한 중간 적외선 초과를 보이지만, 추가 관측 없이선 확인되지 않았다.
• 원래 van Loon 등(2005) 샘플의 나머지 12개 물체는 먼지에 둘러싸이지 않았으며, 정상 RSG와 동일한 질량 손실율을 가진다.
• DE-RSGs는 LMC RSG 인구의 3%에 불과하여 이 단계의 최대 지속 시간이 30,000년 미만임을 시사한다.
• 이 단계는 최대 1–2 M⊙의 질량만 제거할 수 있으며, 히츠팅-러셀 다이어그램의 파랑 끝으로 별을 되돌리기에는 부족하다.
• van Loon 등(2005)의 규정식은 질량 손실을 과도하게 추정하므로 단일 별 진화 모델에서는 사용해서는 안 된다.