[论文解读] Red Supergiants, Luminous Blue Variables and Wolf-Rayet stars: the single massive star perspective

G. Meynet, C. Georgy+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2011

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本文研究了大质量恒星的演化路径，提出在单星模型中，恒星自转与质量损失共同主导了红超巨星（RSG）、亮蓝变星（LBV）和沃尔夫-拉叶（WR）星的形成。研究认为，中等自转与质量损失有利于形成RSG，而快速自转与强质量损失则会驱动恒星直接演化至WR相，从而解释为何18–30 M⊙恒星中RSG前体稀少，以及为何未探测到Ibc型超新星的LBV前体。

ABSTRACT

We discuss, in the context of the single star scenario, the nature of the progenitors of Red Supergiants (RSG), of Luminous Blue Variables (LBV) and of Wolf-Rayet (WR) stars. These three different populations correspond to evolved phases of Main Sequence (MS) OB stars. Axial rotation and mass loss have a great influence on massive star evolution in general and more specifically on the durations of these different phases. Moderate rotation and mass loss, during the MS phase, favor the evolution towards the RSG stage. Fast rotation and strong mass loss during the MS phase, in contrast, prevent the star from becoming a RSG and allow the star to pass directly from the OB star phase into the WR phase. Mass loss during the RSG stage may make the star evolve back in the blue part of the HR diagram. We argue that such an evolution may be more common than presently accounted for in stellar models. This might be the reason for the lack of type IIP SNe with RSG progenitors having initial masses between 18 and 30 M$_\\odot$. The LBVs do appear as a possible transition phase between O and WR stars or between WNL and WNE stars. Fast rotation and/or strong mass loss during the Main-Sequence phase prevent the formation of LBV stars. The mechanisms driving the very strong ejections shown by LBV stars are still unknown. (abridged)

研究动机与目标

• 通过分析自转与质量损失在塑造RSG、LBV和WR星寿命及演化路径中的作用，解决大质量恒星演化中的矛盾之处。
• 通过提出RSG相质量损失是关键因素，解释为何在18–30 M⊙恒星中未观测到IIP型超新星的RSG前体。
• 研究为何尽管进行了深度的超新星爆发前成像，仍未探测到Ibc型超新星的前体，推测爆发前壳层喷发或前体通道的多样性。
• 澄清单星演化与双星相互作用在不同金属度下产生WR星及不同类型核心坍缩超新星的相对作用。
• 评估爱丁顿极限与临界自转速度是否共同驱动LBV中观测到的极端质量喷发。

提出的方法

• 利用包含自转与质量损失的单星演化模型，模拟大质量恒星从主序到后主序阶段在赫罗图中的演化轨迹。
• 应用更新的质量损失律（如辐射驱动风）与自转混合机制（如扩散输运），模拟10–90 M⊙恒星的演化。
• 将模型对RSG、LBV和WR相持续时间及出现频率的预测，与蓝超巨星与红超巨星比例及超新星前体探测的观测数据进行比较。
• 分析金属度对Ibc型与II型超新星比例的影响，检验模型与观测的一致性。
• 评估爱丁顿极限与临界自转（ΩΓ极限）在理论稳定性与风模型中驱动LBV类壳层喷发的作用。
• 评估年轻星团（如Westerlund I、银河系中心）中RSG与WR星群的共时性，以检验双星诱导WR星形成的稀有性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在初始质量为18–30 M⊙的恒星中，IIP型超新星缺乏RSG前体？RSG相的质量损失如何影响这一现象？
• RQ2 驱动LBV恒星极端质量喷发的物理机制是什么？接近爱丁顿极限的自转能否解释这些事件？
• RQ3 尽管进行了深度成像，为何未探测到Ibc型超新星的前体？这对其爆发前演化或前体多样性有何启示？
• RQ4 Ibc型与II型超新星的比例如何随金属度变化？单星模型能否再现这一趋势？
• RQ5 为何在共时星族中RSG与WR星罕见共存？这对其形成中单星演化与双星演化相对重要性的启示是什么？

主要发现

• 主序阶段的中等自转与质量损失有利于红超巨星（RSG）的形成，而快速自转与强质量损失则会抑制RSG的形成，并驱动恒星直接演化至沃尔夫-拉叶（WR）相。
• RSG相的质量损失可导致恒星重新演化至赫罗图的蓝色区域，可能解释为何在18–30 M⊙恒星中未观测到RSG前体。
• 对10例Ibc型超新星的观测中未探测到前体（仅11%的概率为偶然未探测），表明爆发前壳层喷发或非WR前体在这些事件中普遍存在。
• 单星模型预测的Ibc型与II型超新星金属度依赖比例与观测一致，前提是大量形成黑洞的恒星仍能产生可观测的超新星。
• 共时RSG与WR星群的稀有性（除高金属度或大质量星团外）表明，通过双星质量转移（如洛希瓣溢出）形成的WR星在9–25 M⊙恒星中并不常见。
• LBV可能代表O星与WR星之间的过渡相，但其极端喷发仍未被解释；接近爱丁顿极限与临界自转可能在触发此类事件中起关键作用。