[论文解读] New predictions for radiation-driven, steady-state mass-loss and wind-momentum from hot, massive stars III. Updated mass-loss rates for stellar evolution

R. Björklund, J. O. Sundqvist+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文基于非局部热动平衡（NLTE）辐射转移和稳态流体动力学模型，提出了一种针对高温大质量恒星的新理论质量损失律。与标准模型相比，该模型显示O型星的质量损失率降低约3倍，而较冷的B型超巨星的质量损失率则降低达两个数量级，且未发现双稳态跃迁现象，从而在恒星演化轨迹中导致更高的黑洞质量。

ABSTRACT

Massive stars lose a large fraction of their mass to radiation-driven winds throughout their entire life. These outflows impact both the life and death of these stars and their surroundings. Theoretical mass-loss rates of hot, massive stars are derived to be used in applications such as stellar evolution. The behaviour of these rates in the OB-star regime is analysed, and their effects on massive-star evolution predictions is studied. Dynamically-consistent models are computed by solving the spherically symmetric, steady-state equation-of-motion for a large grid of hot, massive stars. The radiative acceleration is derived from non-local thermodynamic equilibrium radiative transfer in the co-moving frame. The resulting mass-loss rates are used to derive a simple scaling recipe with stellar parameters and to evaluate some first impacts upon evolution tracks. We provide a new prescription for steady-state, radiation-driven mass-loss from hot, massive stars depending on their fundamental parameters. The rates for O-stars are lower by about a factor ~3 than the rates typically used in previous stellar-evolution calculations, where differences generally decrease with increasing luminosity and temperature. For cooler B-giants/supergiants we find larger discrepancies. This arises because we do not find any systematic increase in mass-loss rates below the so-called bi-stability region; indeed, our results do not show any sign of a significant bi-stability jump within the parameter range covered by the grid. Due to the lower mass-loss rates we find that envelopes are not easily stripped by means of standard steady-state winds, making it difficult to create classical Wolf-Rayet stars via this channel. However, a remaining key uncertainty regarding these predictions concerns unsteady mass loss for very high-luminosity stars close to the Eddington limit as well as the impact of non-line-driven winds.

研究动机与目标

• 利用NLTE辐射转移和稳态流体动力学，为高温大质量恒星开发一种新的、理论基础扎实的质量损失律。
• 解决经验观测与标准质量损失公式之间的差异，特别是Vink等人（2001年）公式中对双稳态跃迁的高估问题。
• 评估质量损失率降低对大质量恒星演化的影响，尤其是沃尔夫-拉叶星的形成和黑洞残骸的产生。
• 为恒星演化代码提供一种可扩展、参数化的公式，包含光度、质量、有效温度和金属度。
• 评估该结果在高质子质量黑洞双星引力波观测背景下的黑洞质量预测意义。

提出的方法

• 计算一系列球对称、稳态的大气层与风模型，覆盖不同光度、质量、有效温度和金属度的高温大质量恒星。
• 在共动参考系中使用NLTE辐射转移求解运动方程，以计算风结构中各处的辐射加速度。
• 通过自洽地从亚音速到高度超音速流出的风结构确定，确保动力学一致性。
• 推导出一个新的类经验比例公式（公式4），作为恒星光度、有效温度、恒星质量与金属度的函数的质量损失率。
• 利用观测数据验证新公式，包括团块状质量损失测量和射电诊断。
• 使用新质量损失律运行恒星演化模型，与标准模型结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在动力学一致、稳态的框架下，高温大质量恒星的辐射驱动质量损失率如何依赖于光度、有效温度、恒星质量与金属度？
• RQ2 在NLTE风模型中，是否真的存在双稳态跃迁——即在较冷的O型与B型恒星中质量损失率增加一个数量级？
• RQ3 较低质量损失率对通过稳态风形成经典沃尔夫-拉叶星有何影响？
• RQ4 新质量损失律对大质量恒星演化中最终黑洞质量的影响如何，特别是在高金属度下？
• RQ5 与Vink等人（2001年）公式相比，观测约束（如射电诊断、Hα发射）在多大程度上支持新理论预测？

主要发现

• 与广泛使用的Vink等人（2001年）公式相比，新质量损失律使O型星的质量损失率降低约3倍，且在更亮、更热的恒星中差异减小。
• 对于较冷的B型巨星和超巨星（T_eff ≥ 15 kK），与标准模型的差异扩大至一到两个数量级，原因在于新模型中不存在双稳态跃迁。
• 在所覆盖的参数范围（T_eff ≥ 15 kK）内未发现显著的双稳态跃迁，与Vink等人（2000年）公式预测的该温度范围内质量损失率大幅增加相矛盾。
• 缺乏强双稳态跃迁的现象得到了Hα和射电诊断等实证证据的支持，这些证据未显示质量损失的相应增强。
• 使用新质量损失率的恒星演化模型显示，氢包层被更有效地保留，使得单星难以通过稳态风演化为经典沃尔夫-拉叶星。
• 由于质量损失减少，更高质量的内核得以存活至核心塌缩，即使在银河系金属度下也能形成更高质量的黑洞，这有助于解释引力波事件中观测到的高质子质量黑洞。