[论文解读] Massive star feedback - from the first stars to the present

J. S. Vink|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文综述了从第三星族到现今的大质量恒星的质量损失率，强调了谱线辐射压力是驱动恒星风的主要机制。研究识别出两种被忽视的机制——爱丁顿极限风与自富集恒星中的碳驱动质量损失——这些机制可能显著增强第一代恒星的质量损失，从而在超新星爆发前预富集星际介质，并改变其演化路径。

ABSTRACT

The amount of mass loss is of fundamental importance to the lives and deaths of very massive stars, the input of chemical elements and momentum into the interstellar and intergalactic media, as well as the emitted ionizing radiation. I review mass-loss predictions for hot massive stars as a function of metal content for groups of OB stars, Luminous Blue Variables, and Wolf-Rayet stars. Although it is found that the predicted mass-loss rates drop steeply with decreasing metal content (Mdot ~ Z^{0.7-0.85}), I highlight two pieces of physics that are often overlooked: (i) mass-loss predictions for massive stars approaching the Eddington limit, and for (ii) stars that have enriched their own atmospheres with primary elements such as carbon. Both of these effects may significantly boost the mass-loss rates of the first stars - relevant for the reionization of the Universe, and a potential pre-enrichment of the intergalactic medium - prior to the first supernova explosions.

研究动机与目标

• 理解大质量恒星的质量损失率如何依赖于金属度，特别是与第一代恒星相关的极低金属度条件。
• 解决低金属度下质量损失率的关键不确定性，该不确定性影响恒星演化、超新星结果以及再电离模型。
• 研究被忽视的物理机制——爱丁顿极限风与以碳为代表的主生成分自富集——可能如何增强第三星族恒星的质量损失。
• 评估增强质量损失对预富集星际介质及第一代大质量恒星命运的宇宙学影响。

提出的方法

• 采用线驱动风理论，特别是CAK形式化方法，将谱线上的辐射加速度作为大质量恒星风的主要驱动力。
• 应用蒙特卡洛辐射转移技术模拟风结构与线力，通过引入非局部热动平衡效应和详细的原子物理过程，改进CAK模型。
• 比较OB星、大质量蓝变星（LBVs）和沃尔夫-拉叶星（WR星）的质量损失预测，重点关注金属度（Z）依赖性及元素贡献。
• 分析在WC型WR星中，风驱动元素从太阳金属度下的铁向低金属度下的碳转变的机制。
• 评估旋转混合与接近爱丁顿极限对第三星族恒星质量损失增强的影响。
• 利用外推模型评估风在第一颗超新星爆发前预富集星际介质的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量恒星的质量损失率如何随金属度变化，特别是在Z ≲ 10⁻³时？
• RQ2 在大质量、高亮度的第一代恒星中，爱丁顿极限条件在多大程度上增强其质量损失率？
• RQ3 在低金属度下，以碳为代表的主生成分自富集如何影响沃尔夫-拉叶星的风驱动？
• RQ4 在低金属度WR星中，若以碳为主导的线驱动机制占主导，其质量损失率是否显著高于标准Z依赖模型的预测？
• RQ5 大质量恒星风在第一颗超新星爆发前，是否具有预富集星际介质的潜力？

主要发现

• 大质量恒星的质量损失率大致随Z⁰.⁷至Z⁰.⁸⁵变化，但在极低金属度下该趋势因主导风驱动元素的变化而中断。
• 对于晚期型WN星，质量损失仍与Z相关，斜率为m ≈ 0.85，因为即使在低Z下铁线仍主导线力。
• 对于晚期型WC星，当Z/Z⊙ ≤ 10⁻³时，Z依赖性变平缓，因为碳的线力强度超过铁，导致铁线强度减弱。
• WC星在低Z下向碳主导驱动的转变，导致质量损失率的Z依赖性显著降低，表明在低金属度环境中质量损失率可能高于预期。
• 接近爱丁顿极限的第一代恒星以及经历旋转混合的恒星，可能因碳线上的辐射压力而经历增强的质量损失，从而可能避免发生对超新星。
• 这些机制表明，大质量恒星风可能已在第一颗超新星爆发前就已预富集星际介质中的金属，对再电离和早期星系形成具有重要影响。