[论文解读] Pulsations in red supergiants with high L/M ratio -- Implications for the stellar and circumstellar structure of supernova progenitors

Alexander Heger, L. Jeannin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 1997

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

一句话总结

本文研究了高光度-质量比（L/M）红超巨星（RSGs）的脉动现象，表明这类恒星在氦核心燃尽后的后期演化阶段，由于L/M比值升高，会表现出大振幅脉动。非线性和线性脉动模型表明，这些脉动可能在核心坍缩前驱动一种“超风”，显著改变超新星爆发前的恒星结构及其周围环境，对观测到的超新星光曲线、光谱和遗迹具有重要意义。

ABSTRACT

We investigate the pulsational properties of RSG models --- which we evolve from ZAMS masses in the range 10 to $20 \Msun$ --- by means of linear and non-linear calculations. We find period and growth rate of the dominant fundamental mode to increase with increasing luminosity-to-mass ratio $L/M$. Our models obtain relatively large $L/M$ values due to the inclusion of rotation in the evolutionary calculations; however, the largest values are obtained at and beyond central He-exhaustion due to major internal rearrangements of the nuclear burning regions. Our non-linear calculations as well as the behavior of the linear period and growth rate of the pulsations for periods approaching the Kelvin-Helmholtz time scale of the H-rich stellar envelope point towards the possibility of large amplitude pulsations. Such properties are similar to that found in AGB stars and suggest the possibility of a ``superwind'' to occur before the RSGs explode as supernovae. We conclude that changes in global stellar properties during the last few $10^4 \yr$ before core collapse may lead to drastic changes in the pulsational and wind properties of pre-supernova stars, with marked consequences for the immediate pre-supernova structure of the star and the circumstellar medium. We compare our results with observations of long-period OH/IR variables and discuss observational evidence for our scenario from observed supernova light curves, spectra and remnants.

研究动机与目标

• 理解具有高L/M比的红超巨星在晚期演化阶段的脉动行为。
• 探讨核心氦燃尽期间L/M比变化对脉动周期和增长率的影响。
• 评估大振幅脉动对核心坍缩前质量流失和风形成的影响。
• 将理论脉动模型与长周期OH/IR变星及超新星遗迹的观测特征相联系。
• 评估脉动活动对大质量恒星核心坍缩前即时结构的影响。

提出的方法

• 基于0至20倍太阳质量的零龄主序星模型演化得到红超巨星模型，演化过程中包含旋转效应。
• 进行线性和非线性脉动计算，以确定基频脉动的周期和增长率。
• 追踪L/M比的变化，特别是在中心氦燃尽前后，此时L/M显著增加。
• 分析恒星包层的H-丰富包层接近Kelvin-Helmholtz timescale时的脉动行为，以评估大振幅振荡的潜在可能性。
• 将模型预测与长周期OH/IR变星及超新星遗迹的观测数据进行比较。
• 使用恒星结构和脉动方程，模拟恒星包层的演化及其动力学响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 光度-质量比（L/M）如何影响红超巨星的脉动周期和增长率？
• RQ2 高L/M比红超巨星中的大振幅脉动对质量流失和风形成有何影响？
• RQ3 高L/M比红超巨星中的脉动不稳定性是否可导致超新星爆发前的“超风”阶段？
• RQ4 在核心坍缩前最后10^4年中，恒星整体性质的变化如何影响脉动和风的特性？
• RQ5 模型预测与OH/IR变星及超新星遗迹中的观测特征在多大程度上一致？

主要发现

• 红超巨星中主导基频脉动的周期和增长率随L/M比的升高而增加。
• 非线性脉动计算表明，当L/M比在氦核心燃尽后增加时，可能出现大振幅振荡。
• 当脉动行为接近包层的Kelvin-Helmholtz timescale时，表明存在有利于强而持续的超风的条件。
• L/M值最大出现在中心氦燃尽时及其之后，这是由于核燃烧区内部结构重组所致。
• 模型结果与长周期OH/IR变星的观测一致，表明存在相似的脉动和质量流失行为。
• 研究结果表明，超新星爆发前的质量流失和周围环境结构可能显著受核心坍缩前约10^4年内脉动活动的影响。