[论文解读] Stellar Wind Yields of Very Massive Stars

Erin R. Higgins, J. S. Vink+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文利用MESA恒星演化模型，结合对光学厚风具有物理解释的增强质量损失率方案，计算了极超大质量恒星（VMS，M > 100 M⊙）的恒星风产物。结果表明，VMS在主序阶段喷射的经核合成处理元素（如14N、20Ne、23Na、26Al）比标准O型星风多5–10倍，使其成为银河系中26Al的主要来源，并是球状星团中反相关现象的关键候选者。

ABSTRACT

The most massive stars provide an essential source of recycled material for young clusters and galaxies. While very massive stars (VMS, M>100M) are relatively rare compared to O stars, they lose disproportionately large amounts of mass already from the onset of core H-burning. VMS have optically thick winds with elevated mass-loss rates in comparison to optically thin standard O-star winds. We compute wind yields and ejected masses on the main sequence, and we compare enhanced mass-loss rates to standard ones. We calculate solar metallicity wind yields from MESA stellar evolution models in the range 50 - 500M, including a large nuclear network of 92 isotopes, investigating not only the CNO-cycle, but also the Ne-Na and Mg-Al cycles. VMS with enhanced winds eject 5-10 times more H-processed elements (N, Ne, Na, Al) on the main sequence in comparison to standard winds, with possible consequences for observed anti-correlations, such as C-N and Na-O, in globular clusters. We find that for VMS 95% of the total wind yields is produced on the main sequence, while only ~5% is supplied by the post-main sequence. This implies that VMS with enhanced winds are the primary source of 26Al, contrasting previous works where classical Wolf-Rayet winds had been suggested to be responsible for Galactic 26Al enrichment. Finally, 200M stars eject 100 times more of each heavy element in their winds than 50M stars, and even when weighted by an IMF their wind contribution is still an order of magnitude higher than that of 50M stars.

研究动机与目标

• 利用更新的恒星演化模型，量化太阳金属丰度下极超大质量恒星（VMS，M > 100 M⊙）的风产物。
• 研究光学厚、增强的质量损失率对核合成产物的影响，与标准O型星风模型进行对比。
• 评估VMS风对银河系26Al库存的贡献，以及对球状星团中反相关现象（如C-N、Na-O）的影响。
• 评估主序阶段与主序后阶段风物质喷射在VMS演化中的相对重要性。
• 确定VMS在IMF加权下对重元素喷射的贡献，并与低质量O型星进行比较。

提出的方法

• 采用MESA恒星演化代码，结合92种核素的核反应网络，对太阳金属丰度下50至500 M⊙的VMS进行建模。
• 应用一种具有物理解释的风模型，将质量损失率提升至Vink & Gräfener（2012）的过渡点以上，以模拟光学厚风。
• 追踪主序及主序后阶段的H燃烧产物（14N、20Ne、23Na、26Al）和核素（4He、12C、16O、22Ne）的变化。
• 通过比较增强风（VMS型）与标准风（O型星型）模型的风产物，分离出风光学厚度的影响。
• 计算喷射质量与净产物量，包括IMF加权贡献，以评估在恒星群体中的相对重要性。
• 分析化学同质演化（CHE）在VMS中的作用，其中大尺寸对流核心可确保完全混合，从而引起表面丰度的显著变化。

(a) Enhanced V11 optically thick winds for VMS

实验结果

研究问题

• RQ1 极超大质量恒星中增强的质量损失率如何影响主序阶段H燃烧产物（如14N、20Ne、23Na、26Al）的喷射？
• RQ2 对于具有增强风的VMS，总风产物中有多大比例是在主序阶段产生的，又有多少来自主序后阶段？
• RQ3 与O型星或沃尔夫-拉叶星相比，VMS对观测到的银河系26Al库存贡献有多大？
• RQ4 鉴于其极高的质量损失率，VMS风能否解释球状星团中观测到的C-N和Na-O反相关现象？
• RQ5 在重元素喷射方面，IMF加权下VMS的贡献与低质量O型星相比如何？

主要发现

• VMS总风产物中95%在主序阶段喷射，仅约5%来自主序后阶段，凸显了早期质量损失的主导作用。
• 具有增强风的VMS比具有标准O型星风的VMS多喷射5–10倍的H燃烧产物（14N、20Ne、23Na、26Al）。
• 即使经过IMF加权，200 M⊙的VMS在其风中喷射的重元素（如12C、16O、28Si）也比50 M⊙的恒星多100倍。
• 初始质量≥100 M⊙的VMS，无论初始质量如何，其He-ZAMS质量与表面组成均相同，这是由于化学同质演化所致。
• VMS是银河系中26Al的主要来源，其喷射的26Al占初始质量的10–3至10–2，而低质量O型星则几乎不喷射26Al。
• 中等质量范围（80–100 M⊙）的VMS比更高质量的VMS喷射更多的12C和16O，因为它们在主序后阶段处理前避免了显著的4He损失。

(b) Standard V01 optically thin O star winds applied to VMS