[論文レビュー] The VLT-FLAMES Tarantula Survey - XI. A census of the hot luminous stars and their feedback in 30 Doradus

E. Doran, P. A. Crowther+17 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Aug 15, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 115被引用数 72

ひとこと要約

本研究は、VLT-FLAMES Tarantula調査による複数エポックの分光観測を用いて、30 Doradus星形成領域における最初の包括的で詳細な高温・高輝度星の在籍調査を実施した。その結果、質量が100 M⊙を超える星、とりわけW-R/Of/WN型の星が、電離放射と星風フィードバックに顕著に寄与しており、約6%の電離光子が領域から漏れ出していることが判明した。また、標準的なモデル（Starburst99）は、このフィードバックを2〜9倍程度低く見積もっていることが示された。

ABSTRACT

We compile the first comprehensive census of hot luminous stars in the 30 Doradus (30 Dor) star forming region of the LMC. The census extends to a radius of 10arcmin (150pc) from the central cluster, R136. Stars were selected photometrically and combined with the latest spectral types. 1145 candidate hot luminous stars were identified of which >700 were considered genuine early type stars that contribute to feedback. We assess the spectroscopic completeness to be 85% in outer regions (>5pc) but fall to 35% in the vicinity of R136, giving a total of 500 hot luminous stars with spectroscopy. Stellar calibrations and models were used to obtain their physical parameters before integrated values were compared to global observations and the population synthesis code, Starburst99. The 31 W-R and Of/WN stars made large contributions to the total ionising and wind luminosities of ~40% and ~50%, respectively. Stars with Minit>100Msun also showed high contributions to the global feedback, ~25% in both cases. Such massive stars are not accounted for by the current Starburst99 code, which underestimated the ionising and wind luminosities of R136 by factors of ~2 and ~9, respectively. The census inferred a SFR of 0.073+/-0.04Msun/yr for 30 Dor, typically higher than results from popular SFR calibrations. However, it remained consistent with a far-UV luminosity tracer and a combined Halpha and mid-infrared tracer, but only after correcting for Halpha extinction. The global ionising output exceeded measurements from the associated gas and dust, suggesting ~6(+55/-6)% of ionising photons escape the region. When studying very luminous star forming regions, it is therefore essential to include the most massive stars to ensure a reliable energy budget. If 30 Dor is typical of other large star forming regions, estimates of the SFR will be underpredicted if this escape fraction is not accounted for.(abridged)

研究の動機と目的

• 30 Doradus領域における高温・高輝度星、特に早期型星および質量星の完全な在籍調査を実施すること。
• 分光観測の完全性を評価し、最も質量が大きく輝度の高い星（W-R型およびOf/WN型を含む）を同定すること。
• 統合電離放射光度および星風光度を測定し、星形成率（SFR）および電離光子漏れ率の再評価を行うこと。
• Starburst99のような集団合成モデルが、極端なH II領域における観測されたフィードバックをどれだけ正確に再現できるかを検証すること。
• 100 M⊙を超える最も質量の大きな星が、領域全体のエネルギー収支に果たす寄与を特定すること。

提案手法

• VLT-FLAMES Tarantula調査の複数エポック分光観測と画像選択を組み合わせ、高温・高輝度星を同定した。
• 星の大気モデルおよび校正法（例：Martins & Pleijel 2006）を適用し、スペクトル型と光度から物理的パラメータを導出した。
• Kバンド光度からの降着法（R_V = 3.5–4.2）を用いて、ほこりによる赤化を補正し、固有の等級を推定した。
• 個々の星の寄与から統合電離放射光度および星風光度を計算し、全体のUV〜FIR観測と比較した。
• 人口合成モデル（Starburst99）および観測トレーサー（遠紫外、Hα、中赤外）との照合により、結果の妥当性を検証した。
• 全星の出力とガス相の電離測定値を比較することで、電離光子漏れ率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 Doradus領域における高温・高輝度星の完全な在籍調査はどのようなものか。特に密集したR136クラスタにおいては？
• RQ2 早期型星、特に混雑した中心領域における分光観測の完全性はどの程度か？
• RQ3 最も質量の大きな星（>100 M⊙）およびW-R/Of/WN星が、全電離放射光度および星風光度のどの程度を占めているか？
• RQ4 標準的集団合成モデル（例：Starburst99）は、極端なH II領域における質量星からのフィードバックをどの程度低く見積もっているか？
• RQ5 30 Doradusからの全電離光子漏れ率はどの程度か。また、SFR推定値にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 在籍調査で1,145個の高温・高輝度星候補を同定したが、そのうち500個が分光観測で確認され、700個以上が真の早期型星であると判明した。
• R136近辺では分光観測の完全性が35％に低下するが、5 pc以上離れた領域では85％に達する。これはクラスターコア部に著しい不完全性があることを示している。
• W-R型およびOf/WN型星（31個）は、全電離放射光度の約40％、星風光度の約50％を寄与している。
• 初期質量が100 M⊙を超える星（主にH-rich WN星）は、電離放射光度および星風光度の両方で約25％を占めている。
• Starburst99は、R136の電離放射光度を約2倍、星風光度を約9倍低く見積もっており、これは非常に質量の大きな星が欠落しているためである。
• 推定される星形成率は0.073 ± 0.04 M⊙ yr⁻¹であり、Hαの減光補正後、遠紫外およびHα＋中赤外トレーサーと整合的である。この結果、光子漏れ率は約6％（6⁺⁵⁵₋₆%）であると示唆され、顕著な電離放射出力の漏れ出しが確認された。