[論文レビュー] Very low metallicity massive star models: Pre-SN evolution and primary nitrogen production

Raphaël Hirschi|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 61被引用数 137

ひとこと要約

本稿では、極めて低い金属量 (Z = 10⁻⁸) における回転する質量の大きな星のモデルを提示し、極端に金属量が低い星の表面組成を説明する。回転はCNO混合と質量放出を引き起こし、一次的な窒素の生成とWO型Wolf-Rayet星の形成をもたらし、極めて低い金属量においてType Ic超新星および長期間にわたるやわららかなガンマ線バーストの発生を予測する。

ABSTRACT

Two series of models were computed. The first series consists of 20 solar mass models with varying initial metallicity (Z=0.02 down to Z=10^{-8}) and rotation (V_{ini}=0-600 km/s). The second one consists of models with an initial metallicity of Z=10^{-8}, masses between 9 and 85 solar masses and fast initial rotation velocities (V_{ini}=600-800 km/s). The most interesting models are the models with Z=10^{-8} ([Fe/H]~-6.6). In the course of helium burning, carbon and oxygen are mixed into the hydrogen burning shell. This boosts the importance of the shell and causes a reduction of the CO core mass. Later in the evolution, the hydrogen shell deepens and produces large amount of primary nitrogen. For the most massive models (M>~60 solar masses), significant mass loss occurs during the red supergiant stage. This mass loss is due to the surface enrichment in CNO elements via rotational and convective mixing. The 85 solar mass model ends up as a WO type Wolf-Rayet star. Therefore the models predict SNe of type Ic and possibly long and soft GRBs at very low metallicities. The rotating 20 solar mass models can best reproduce the observed CNO abundances at the surface of extremely metal poor (EMP) stars and the metallicity trends when their angular momentum content is the same as at solar metallicity (and therefore have an increasing surface velocity with decreasing metallicity). The wind of the massive star models can also reproduce the CNO abundances of the most metal-poor carbon-rich star known to date, HE1327-2326.

研究の動機と目的

• 極めて金属量が低い(EMP)星の観測された表面組成、特に一次的窒素の過剰生産を説明すること。
• 回転と金属量が質量の大きな星の超新星前段階の進化に果たす役割を調査すること。
• 質量の大きな星の星風が、既知の最も金属量が低い星であるHE1327-2326のCNO組成を再現できるかどうかを特定すること。
• 非常に低い金属量における質量の大きな星がWO型Wolf-Rayet星に進化する条件と、それによるIc型超新星および長期間ガンマ線バースト発生の可能性を評価すること。
• 銀河化学進化モデルを支援するための軽元素の星間物質還元量を提供すること。

提案手法

• Z = 0.02 から Z = 10⁻⁸ までの初期金属量と、0 から 600 km s⁻¹ の回転速度を持つ20 M☉のモデルを計算した。
• Z = 10⁻⁸ で、質量が9から85 M☉のモデルを、高い初期回転速度（600–800 km s⁻¹）で計算した。
• 酸素燃焼以降に、拡散的対流とオーバーシュート（α = 0.1 H_P）を含む星の進化コードを用いた。
• NACRE反応率を適用し、初期組成を太陽に類似させ、Y_p = 0.24 および ΔY/ΔZ = 2.5 を設定した。
• ヘリウム燃焼と水素シェル燃焼の過程で表面組成を追跡し、CNO生成と質量放出に注目した。
• EMP星（HE1327-2326 や CS22949-037 を含む）の観測組成と風およびコアの還元量を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z = 10⁻⁸ における質量の大きな星の回転が、EMP星の観測された一次的窒素の過剰生産をどの程度説明できるか。
• RQ2 回転および対流混合が、低金属量の質量の大きな星における質量放出と表面の元素豊度上昇に果たす役割は何か。
• RQ3 Z = 10⁻⁸ における質量の大きな星の星風組成が、最も金属量が低い星HE1327-2326のCNO組成を再現できるか。
• RQ4 初期質量と金属量がどの程度の値のとき、質量の大きな星がWO型Wolf-Rayet星に進化するか。また、Ic型超新星およびGRB発生にどのような意味を持つのか。
• RQ5 これらのモデルから得られる軽元素（C, N, O）の還元量が、観測結果および銀河化学進化の制約とどのように一致するか。

主な発見

• Z = 10⁻⁸ において、ヘリウム燃焼期の回転混合が、炭素と酸素を水素燃焼シェルに輸送し、COコア質量を減少させる。
• 後期の進化段階で、より深くまで水素シェルが発達し、大量の一次的窒素が生成され、EMP星の観測された窒素過剰生産を説明する。
• M ≥ 60 M☉ の場合、回転と混合による表面CNO元素の豊度上昇に起因し、赤超巨星段階で顕著な質量放出が発生する。
• 85 M☉ のモデルはWO型Wolf-Rayet星に進化するため、このような星が非常に低い金属量でも形成可能であることを示している。
• これらのモデルは、Z = 10⁻⁸ における質量の大きな星がIc型超新星を発生させ、また長期間にわたるやわららかなガンマ線バーストを発生させる可能性があると予測している。
• 85 M☉ のモデルの星風組成は、HE1327-2326のC, N, Oの組成と一致しており、この星が単一のPop II.5星によって汚染された物質から形成されたというシナリオを支持している。