[论文解读] Mass-loss rates and luminosity functions of dust-enshrouded AGB stars and red supergiants in the LMC

JT van Loon, M. A. T. Groenewegen+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 19

一句话总结

本研究利用ISO和地面红外数据的辐射转移建模，对大麦哲伦云中的57颗尘埃包覆的AGB星和红超巨星进行了质量损失率与总辐射光度的推导。研究发现，在M_bol ≈ -7.5等处存在一个光度间隙，将AGB星与RSGs分隔开来，质量损失率范围为10⁻⁷至10⁻³ M⊙ yr⁻¹，并表明强烈的质量损失以短时、反复的爆发形式发生，其速率超过辐射动量极限，这是由于多重散射所致，尤其在RSGs和演化后的AGB星中更为显著。

ABSTRACT

A radiative transfer code is used to model the spectral energy distributions of 57 mass-losing Asymptotic Giant Branch (AGB) stars and red supergiants (RSGs) in the Large Magellanic Cloud (LMC) for which ISO spectroscopic and photometric data are available. As a result we derive mass-loss rates and bolometric luminosities. A gap in the luminosity distribution around M_bol = -7.5 mag separates AGB stars from RSGs. The luminosity distributions of optically bright carbon stars, dust-enshrouded carbon stars and dust-enshrouded M-type stars have only little overlap, suggesting that the dust-enshrouded AGB stars are at the very tip of the AGB and will not evolve significantly in luminosity before mass loss ends their AGB evolution. Derived mass-loss rates span a range from Mdot about 10^-7 to 10^-3 M_sun/yr. More luminous and cooler stars are found to reach higher mass-loss rates. The highest mass-loss rates exceed the classical limit set by the momentum of the stellar radiation field, L/c, by a factor of a few due to multiple scattering of photons in the circumstellar dust envelope. Mass-loss rates are lower than the mass consumption rate by nuclear burning, Mdot_nuc, for most of the RSGs. Two RSGs have Mdot >> Mdot_nuc, however, suggesting that RSGs shed most of their stellar mantles in short phases of intense mass loss. Stars on the thermal pulsing AGB may also experience episodes of intensified mass loss, but their quiescent mass-loss rates are usually already higher than Mdot_nuc.

研究动机与目标

• 利用红外SED数据，量化大麦哲伦云中尘埃包覆的AGB星和红超巨星的质量损失率与总辐射光度。
• 通过光度函数分析，识别AGB星与RSGs之间的演化差异。
• 确定质量损失率是否超过辐射动量极限（L/c），并评估多重散射在驱动星风中的作用。
• 研究质量损失率、光度、有效温度以及核燃烧质量消耗率之间的关系。
• 通过分析其光度分布与质量损失行为，澄清碳丰度星与氧丰度星AGB星的演化状态。

提出的方法

• 应用球对称辐射转移代码，利用ISO光谱与测光数据，对大麦哲伦云中57颗AGB星与RSGs的光谱能量分布（SED）进行建模。
• 使用输入参数，包括恒星SED、尘埃颗粒光学特性及CSE几何结构，拟合观测红外SED并推导物理参数。
• 利用已知的大麦哲伦云距离校准总辐射光度，并通过SED拟合推导有效温度。
• 将推导的质量损失率与辐射动量极限（L/c）及核质量消耗率（Ṁ_nuc）进行比较，以评估驱动力机制与演化意义。
• 根据化学成分（氧丰度与碳丰度）和光谱型对恒星进行分类，以分析光度与质量损失趋势。
• 通过比较观测质量损失率与单次散射极限，评估多重散射在增强动量传递中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 大麦哲伦云中尘埃包覆的AGB星与红超巨星的总辐射光度分布如何？是否存在两个星族之间的清晰分隔？
• RQ2 AGB星与RSGs的质量损失率如何随光度与有效温度变化？其观测趋势由何驱动？
• RQ3 观测到的质量损失率是否与辐射动量极限（L/c）一致？若否，是否需要多重散射来解释？
• RQ4 质量损失率与核燃烧质量消耗率（Ṁ_nuc）之间存在何种关系？这对RSGs的演化状态有何启示？
• RQ5 是否可通过最终热脉动与HBB在AGB顶端附近停止来解释明亮碳星的存在？

主要发现

• 大麦哲伦云中尘埃包覆的AGB星与RSGs的光度分布显示，在M_bol ≈ -7.5等处存在明显的光度间隙，将AGB星与RSGs群体分隔开。
• 质量损失率范围极广，从约10⁻⁷至10⁻³ M⊙ yr⁻¹，且在更明亮、更冷的恒星中观测到更高的速率。
• 在某些情况下，质量损失率超过辐射动量极限（L/c）数倍，为尘埃包覆的包层中存在光子多重散射提供了证据。
• 质量损失率显著超过其核质量消耗率（Ṁ_nuc）的RSGs虽罕见但存在，表明存在短暂而强烈的质量损失爆发阶段。
• 尘埃包覆的AGB星的质量损失率始终超过Ṁ_nuc，表明即使在平静阶段，质量损失也是主导演化驱动力。
• 光谱型更晚（温度更低）且光度更高的恒星表现出更大的质量损失率，表明其强烈依赖于有效温度与光度。