[论文解读] Stellar envelope inflation near the Eddington limit. Implications for the radii of Wolf-Rayet stars and luminous blue variables

G. Gräfener, S. P. Owocki+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用 101

一句话总结

本文提出，恒星风团块化增强的爱丁顿极限附近的辐射包层膨胀，可解释沃尔夫-拉叶（WR）星和S型大蓝变星（LBVs）异常巨大的半径。通过数值模型和一种新的解析形式，作者识别出一个控制膨胀的无量纲参数 $ W $，并发现当 $ W \geq 1 $ 时存在不稳定性极限，此时包层将变得引力解离。团块化效应解决了长期存在的WR星半径难题，使观测半径与理论预测相符。

ABSTRACT

(shortened) It has been proposed that the envelopes of luminous stars may be subject to substantial radius inflation. The inflation effect has been discussed in relation to the radius problem of WR stars, but has yet failed to explain the large observed radii of Galactic WR stars. We wish to obtain a physical perspective of the inflation effect, and study the consequences for the radii of WR stars, and LBVs. For WR stars the observed radii are up to an order of magnitude larger than predicted by theory, whilst S Doradus-type LBVs are subject to humongous radius variations, which remain as yet ill-explained. We use a dual approach to investigate the envelope inflation, based on numerical models for stars near the Eddington limit, and a new analytic formalism to describe the effect. An additional new aspect is that we take the effect of density inhomogeneities (clumping) within the outer stellar envelopes into account. Due to the effect of clumping we are able to bring the observed WR radii in agreement with theory. Based on our new formalism, we find that the radial inflation is a function of a dimensionless parameter W, which largely depends on the topology of the Fe-opacity peak, i.e., on material properties. For W>1, we discover an instability limit, for which the stellar envelope becomes gravitationally unbound, i.e. there no longer exists a static solution. Within this framework we are also able to explain the S Doradus-type instabilities for LBVs like AG Car, with a possible triggering due to changes in stellar rotation. The stellar effective temperatures in the upper HR diagram are potentially strongly affected by the inflation effect. This may have particularly strong effects on the evolved massive LBV and WR stars just prior to their final collapse, as the progenitors of SNe Ibc, SNe II, and long GRBs.

研究动机与目标

• 解决银河系沃尔夫-拉叶（WR）星观测半径与理论预测之间长期存在的差异。
• 研究S型大蓝变星（LBVs）极端半径变化的物理机制。
• 建立一个考虑恒星风团块化及其对结构影响的包层膨胀解析框架。
• 确定膨胀包层发生引力解离的条件，识别一种新的不稳定性极限。
• 评估包层膨胀对大质量恒星有效温度及演化状态的影响，特别是对Ibc型超新星和长伽马射电暴前身星的影响。

提出的方法

• 使用数值恒星结构模型模拟接近爱丁顿极限的恒星，重点关注代表WR星的化学同质氦核心模型。
• 开发一种新的解析形式来描述包层膨胀，引入一个无量纲参数 $ W $，用于量化包层底部内部能量与引力能量的比值。
• 通过团块因子 $ D $ 纳入外层包层中密度不均匀性（团块化）的影响，该因子改变有效消光截面和能量传输。
• 通过确定临界值 $ W \geq 1 $ 来分析膨胀包层的稳定性，超过该值则不存在静态解，表明发生引力解离。
• 将模型应用于著名S型变星AG Car，以检验其再现爆发期间观测到的光度和半径变化的能力。
• 利用质量、半径、光度和爱丁顿因子 $ \Gamma_{\rm e} $ 等恒星参数，结合消光截面表和观测数据，估算 $ W $。

实验结果

研究问题

• RQ1 爱丁顿极限附近的包层膨胀是否能解释银河系WR星中观测到的异常巨大半径？
• RQ2 恒星风团块化如何影响辐射膨胀包层的范围和稳定性？
• RQ3 膨胀包层发生引力解离的关键条件是什么？它与无量纲参数 $ W $ 的关系如何？
• RQ4 AG Car等S型大蓝变星的变光行为是否可由旋转或 $ W $ 参数变化触发的包层膨胀来解释？
• RQ5 包层膨胀在多大程度上影响大质量演化恒星的有效温度和HR图中的观测位置，特别是对Ibc型超新星和长伽马射电暴前身星的影响？

主要发现

• 在外层包层中引入团块化可降低有效消光截面，使膨胀参数 $ W $ 达近似于1的值，从而支持WR星中观测到的巨大半径。
• 当 $ W \geq 1 $ 时，恒星包层将变得引力解离，表明存在一种新的不稳定性极限，可能触发LBVs的S型大蓝变星爆发。
• 为匹配观测到的WR星半径，团块因子 $ D $ 需在1至16之间，该范围与风诊断推断的典型值一致。
• 该模型通过形成质量约为 $ \sim 2 \times 10^{-3} M_{\odot} $ 的致密外层壳，成功解释了AG Car在S型大蓝变星周期中半径增加约两倍、光度降低约1.5倍的现象。
• 将该壳层提升至外层半径所需的能量与观测到的光度下降量级相当，支持该膨胀机制作为合理解释。
• 包层膨胀可能显著改变大质量恒星的观测有效温度，可能使致密、高速旋转的内核被膨胀、较冷的包层所掩盖，对超新星和伽马射电暴前身星模型具有重要意义。