[论文解读] Testing Evolutionary Models with Red Supergiant and Wolf-Rayet Populations

Philip Massey, Kathryn F. Neugent+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 238被引用 34

一句话总结

本研究利用大麦云、仙女座星系（M31）和三角座星系（M33）中更新的红超巨星（RSG）和沃尔夫-拉叶星（WR）星族，测试大质量恒星演化模型。通过应用盖亚天体测量学和近红外测光以减少前景污染并改进RSG的选取，再结合对WR候选者的光谱确认，作者发现观测到的RSG/WR比例与单星日内瓦模型及双星BPASS模型高度一致——尤其当将RSG温度下调200 K以与基于TiO的光谱温标对齐时，这种一致性更为显著。

ABSTRACT

Despite the many successes that modern massive star evolutionary theory has enjoyed, reproducing the apparent trend in the relative number of red supergiants (RSGs) and Wolf-Rayet (WR) stars has remained elusive. Previous estimates show the RSG/WR ratio decreasing strongly with increasing metallicity. However, the evolutionary models have always predicted a relatively flat distribution for the RSG/WR ratio. In this paper we reexamine this issue, drawing on recent surveys for RSGs and WRs in the Magellanic Clouds, M31, and M33. The RSG surveys have used Gaia astrometry to eliminate foreground contamination, and have separated RSGs from asymptotic giant branch stars using near-infrared colors. The surveys for WRs have utilized interference filter imaging, photometry, and image subtraction techniques to identify candidates, which have then been confirmed spectroscopically. After carefully matching the observational criteria to the models, we now find good agreement in both the single-star Geneva and binary BPASS models with the new observations. The agreement is better when we shift the RSG effective temperatures derived from J-Ks photometry downwards by 200 K in order to agree with the Levesque TiO effective temperature scale. In an appendix we also present a source list of RSGs for the SMC which includes effective temperatures and luminosities derived from near-infrared 2MASS photometry, in the same manner as used for the other galaxies.

研究动机与目标

• 解决演化模型与观测之间在红超巨星（RSG）与沃尔夫-拉叶星（WR）相对数量上的长期矛盾。
• 检验现代单星与双星演化模型是否能再现不同金属丰度下观测到的RSG与WR星族。
• 通过结合盖亚天体测量学与近红外J−Ks色指数，减少前景污染并区分RSG与AGB星，以改进RSG的观测选取。
• 利用测光与图像减法技术识别WR候选者，随后通过光谱验证。
• 通过采用Levesque基于TiO的温度标度校准有效温度，使模型预测与观测相一致。

提出的方法

• 利用盖亚天体测量学从大麦云（SMC）、大麦云（LMC）、M31和M33的RSG样本中剔除前景污染源。
• 应用2MASS的近红外J−Ks测光，利用颜色-光度关系定义温度边界以识别RSG。
• 采用干涉滤光成像、测光与图像减法技术探测WR候选者，随后进行光谱确认。
• 利用Levesque基于TiO的温度标度校准RSG有效温度，将测光温度系统性下调200 K。
• 将观测标准（光度、温度、金属丰度）与单星日内瓦模型及双星BPASS演化模型进行匹配。
• 基于2MASS测光与盖亚数据，构建了SMC中501颗RSG的源表，包含其有效温度与log L/L⊙。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何以往的演化模型无法再现RSG/WR比例随金属丰度的变化趋势？
• RQ2 现代单星与双星演化模型在不同金属丰度的星系中，与观测到的RSG和WR星族的符合程度如何？
• RQ3 有效温度标度的选择（测光温度 vs. 基于TiO的光谱温度）如何影响模型与观测的比较结果？
• RQ4 改进观测选取方法——特别是前景源剔除与AGB星分离——对推导出的RSG/WR比例有何影响？
• RQ5 RSG/WR比例的金属丰度依赖性是否可通过单星与双星情景下的质量损失驱动演化过程加以解释？

主要发现

• 观测到的RSG/WR比例随金属丰度降低而减小，与金属丰度依赖性质量损失的预期一致。
• 在将RSG测光温度系统性下调200 K以匹配Levesque基于TiO的温度标度后，单星日内瓦模型与双星BPASS模型均与观测结果高度一致。
• SMC中RSG/WR比例为41.0+14.0−10.0（当L/L⊙ ≥ 4.2时），在M33（Z ≈ 0.006）中降至1.8+0.3−0.3，在M31（Z ≈ 0.030）中进一步降至2.4+0.2−0.2。
• 观测到的RSG/WR比例趋势现可被模型良好再现，解决了大质量恒星演化理论中长期存在的矛盾。
• SMC的RSG样本包含501颗恒星，其有效温度与光度由2MASS J−Ks测光与盖亚数据推导得出，已形成公开可获取的源表。
• 恒星形成历史的随机波动（±30%）对预测的RSG/WR比例影响甚微，表明模型与观测的一致性具有稳健性。