[论文解读] SN 1987A - Presupernova Evolution and the Progenitor Star

S. E. Woosley, Alexander Heger+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 1997

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文利用更新的OPAL灰度和自转效应，结合单星演化模型，研究了大麦哲伦云中SN 1987A的前身星——一颗蓝特超巨星。研究发现，尽管在标准物理条件下蓝特超巨星的形成颇具挑战，但自转与对流物理的结合可解释观测到的氮和氦富集，并通过氦核心的开尔文-赫尔姆霍兹 timescale 解释了红序到蓝序转变的20,000年 timescale。

ABSTRACT

Ten years later, astronomers are still puzzled by the stellar evolution that produced SN 1987A --- a blue supergiant. In single star models, the new OPAL opacities make blue solutions more difficult to achieve, though still possible for certain choices of convection physics. We also consider rotation, which has the desirable effect of producing large surface enhancements of nitrogen and helium, but the undesirable effect of increasing the helium-core mass at the expense of the envelope. The latter makes blue solutions more difficult. Still, we seek a model that occurs with high probability in the LMC and for which the time-scale for making the last transition from red to blue, $\sim$ 20,000 years, has a physical interpretation --- the Kelvin-Helmholtz time of the helium core. Single star models satisfy both criteria and might yet prove to be the correct explanation for Sk -69 202, provided new rotational or convection physics can simultaneously give a blue star and explain the ring structure. Some speculations on how this might be achieved are presented and some aspects of binary models briefly discussed.

研究动机与目标

• 解释为何理论预期更可能形成红特超巨星，但SN 1987A的前身星却是蓝特超巨星。
• 评估包含更新物理参数的单星演化模型是否能重现Sk-69 202的观测特性。
• 确定从红序到蓝序的20,000年转变 timescale 是否在恒星结构中具有物理解释。
• 评估自转在产生表面氮和氦增强的同时，是否仍能维持蓝特超巨星的形态。
• 探讨修订后的对流或自转物理是否可使观测到的前身星与单星演化相协调。

提出的方法

• 采用包含更新OPAL灰度的单星演化模型，模拟大质量恒星的晚期演化过程。
• 引入自转效应，评估其对混合、核心质量和表面成分的影响。
• 分析最终从红序到蓝序转变的 timescale，将其与氦核心的开尔文-赫尔姆霍兹 timescale 联系起来。
• 评估此类演化路径在大麦哲伦云（LMC）中发生的概率。
• 将模型预测与观测约束进行比较，包括表面丰度和SN 1987A周围的环状结构。
• 简要探讨双星相互作用模型作为替代解释，但主要聚焦于单星情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现代灰度和对流物理条件下，单星演化是否能产生SN 1987A的蓝特超巨星前身星？
• RQ2 从红序到蓝序转变的20,000年 timescale 的物理解释是什么？
• RQ3 自转如何影响表面成分和核心质量？它能否调和蓝特超巨星形成与观测丰度之间的矛盾？
• RQ4 在单星框架下，观测到的氮和氦表面增强是否可由自转混合解释？
• RQ5 是否存在可行的物理解释机制（如氦核心的开尔文-赫尔姆霍兹 timescale）来解释观测到的转变 timescale？

主要发现

• 引入OPAL灰度后，单星模型中形成蓝特超巨星的可能性降低，但仍可能在特定对流模型下实现。
• 自转可增强表面氮和氦，与观测一致，但会增加氦核心质量，使蓝序演化更困难。
• 从红序到蓝序的20,000年转变 timescale 可物理解释为氦核心的开尔文-赫尔姆霍兹 timescale。
• 单星模型同时满足物理 timescale 要求和在LMC中发生的概率，表明其仍可解释该前身星。
• 一个可行的解决方案需要新的自转或对流物理，能同时产生蓝特超巨星并解释周围的星周环状结构。
• 双星模型被简要提及但未深入发展；研究重点仍放在单星演化作为合理解释的可能性上。