[论文解读] Rotating massive stars through the ages, with applications to WR stars, Pop III stars and Gamma Ray Bursts

A. Maeder, G. Meynet|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了旋转大质量恒星模型，显著改善了对不同星族（包括沃尔夫-拉叶星、第三星族星以及长持续时间伽马射线暴前身星）观测数据的拟合。通过引入旋转混合、大尺度环流和各向异性质量损失，这些模型比非旋转模型更准确地解释了表面丰度异常、表面速度演化以及演化轨迹，尤其在低金属度环境下表现更优。

ABSTRACT

This article first reviews the basic physics of rotating stars and their evolution. We examine in particular the changes of the mechanical and thermal equilibrium of rotating stars. An important (predicted and observed) effect is that rotating stars are hotter at the poles and cooler at the equator. We briefly discuss the mass loss by stellar winds, which are influenced by the anisotropic temperature distribution. These anisotropies in the interior are also driving circulation currents, which transports the chemical elements and the angular momentum in stars. Internal differential rotation, if present, creates instabilities and mixing, in particular the shear mixing, the horizontal turbulence and their interactions. A major check of the model predictions concerns the changes of the surface abundances, which are modified by mass loss in the very massive stars and by rotational mixing in O- and B-type stars. We show that the observations confirm the existence of rotational mixing, with much larger effects at lower metallicities. We discuss the predictions of stellar models concerning the evolution of the surface velocities, the evolutionary tracks in the HR diagram and lifetimes, the populations of blue, red supergiants and Wolf-Rayet stars, and the progenitors of type Ibc supernovae. We show, that in many aspects, rotating models provide a much better fit than non-rotating ones. Using the same physical ingredients as those which fit the best the observations of stars at near solar metallicities, we explore the consequences of rotating models for the status of Be stars, the progenitors of Gamma Ray Bursts, the evolution of Pop III stars and of very metal poor stars, the early chemical evolution of galaxies, the origin of the C-enhanced Metal Poor stars (CEMP) and of the chemical anomalies in globular clusters.

研究动机与目标

• 通过将旋转作为关键物理机制引入，解决非旋转恒星演化模型的局限性。
• 解决大质量恒星观测到的表面丰度、表面速度及演化轨迹之间的不一致问题。
• 研究旋转在塑造宇宙时空中大质量恒星演化过程中的作用，特别是在低金属度环境中的影响。
• 探讨旋转对沃尔夫-拉叶星形成、伽马射线暴前身星以及贫金属星中化学异常的影响。
• 评估旋转与质量损失共同作用对核合成及星系早期化学演化的影响。

提出的方法

• 利用冯·策佩尔定理描述旋转状态下恒星的重力变暗与温度各向异性。
• 采用壳层旋转模型模拟速度差异旋转及其对内部混合与角动量输运的影响。
• 将大尺度环流与剪切混合作为由旋转不稳定性驱动的关键输运机制。
• 应用泰勒-斯普鲁特发电机模型，研究辐射区中磁场与速度差的相互作用。
• 采用辐射驱动星风模型，考虑旋转恒星中因温度与重力变化导致的各向异性质量损失。
• 通过观测到的表面丰度、主序带宽度、干涉测量的恒星形状以及星族比例（如蓝超巨星与红超巨星之比）对模型进行校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转混合与大尺度环流如何改变O型与B型星的表面丰度，尤其是在低金属度下？
• RQ2 旋转在多大程度上能够解释大质量恒星与Be星中观测到的氮和氦过剩？
• RQ3 旋转模型能否解决沃尔夫-拉叶星演化中的长期难题及其观测星族分布？
• RQ4 旋转在塑造长持续时间伽马射线暴与黑洞塌缩星前身星中的作用是什么？
• RQ5 旋转模型如何影响核合成产物，以及对碳增强贫金属星（CEMP星）与球状星团中化学异常的起源产生何种影响？

主要发现

• 旋转模型比非旋转模型更准确地再现了观测到的表面丰度异常，特别是氮和氦的过剩，且在低金属度下效应更显著。
• 旋转模型预测的表面速度演化与Be星的观测结果一致，尤其在低金属度环境中，其表面速度趋于临界旋转。
• 旋转模型预测了更高的蓝超巨星与红超巨星比例，更符合沃尔夫-拉叶星的观测星族比例，解决了长期存在的矛盾。
• 在临界旋转状态下，旋转通过辐射驱动星风与机械质量损失共同增强质量损失，从而提高低金属度恒星形成塌缩星与长持续时间伽马射线暴的可能性。
• 在低金属度下，旋转混合可产生大量原始核素 13C、14N 与 22Ne，支持CEMP星及球状星团中化学异常的起源。
• 模型表明，在高金属度下，由于更强的星风，角动量更高效地被输运并排出，导致核心旋转减慢，从而降低金属富集区域形成塌缩星的概率。