[论文解读] The advanced stages of stellar evolution: impact of mass loss, rotation, and link with B[e] stars

C. Georgy, Hideyuki Saio+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本文研究了质量损失与自转如何塑造大质量恒星的晚期演化，揭示了部分恒星在赫罗图中经历蓝-红-蓝演化。关键发现是蓝超巨星（BSGs）可能由两个不同群体组成：首次穿越赫罗图的恒星，以及在红超巨星阶段后返回蓝色区域的恒星，二者在质量、表面重力和脉动特性方面存在可观测差异。

ABSTRACT

In this paper, we discuss some consequences of rotation and mass loss on the evolved stages of massive star evolution. The physical reasons of the time evolution of the surface velocity are explained, and then we show how the late-time evolution of massive stars are impacted in combination with the effects of mass loss. The most interesting result is that in some cases, a massive star can have a blue-red-blue evolution, opening the possibility that Blue Supergiants are composed by two distinct populations of stars: one just leaving the main sequence and crossing the HRD for the first time, and the other one evolving back to the blue side of the HRD after a Red Supergiant phase. We discuss a few possible observational tests that can allow to distinguish these two populations, and how supergiant B[e] stars fit in this context.

研究动机与目标

• 理解质量损失与自转对大质量恒星晚期演化的影响。
• 研究主序后表面速度演化的主要物理机制。
• 检验蓝超巨星（BSGs）是否代表两种不同的演化群体：首次与第二次赫罗图穿越。
• 评估可区分首次与第二次穿越BSGs的观测诊断方法。
• 探讨演化后的大质量恒星与超巨星B[e]星（sgB[e]）起源之间的关联。

提出的方法

• 基于日内瓦恒星演化代码（Ekström et al. 2012），使用初始质量在12至40 M⊙之间、太阳金属丰度的恒星演化模型。
• 通过追踪角动量守恒、内部不稳定性引起的再分布以及星风导致的损失，模拟表面自转速度的演化。
• 在红超巨星（RSG）阶段，质量损失率设定为10⁻⁶至10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹，持续10⁵至10⁶年，显著改变恒星质量和结构。
• 计算光度与质量之比（L/M），以评估脉动有利条件，特别是当L/M > 10⁴ L⊙/M⊙时奇异模态的激发。
• 追踪化学丰度演化，特别是¹²C/¹³C比值，以识别质量损失导致CNO循环燃烧物质暴露的特征。
• 利用通量加权重力-光度关系（FGLR）检验模型与观测到的BSGs的一致性，比较首次与第二次穿越的轨迹。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量恒星的表面速度演化是否可由半径膨胀、内部角动量输运和星风损失共同解释？
• RQ2 在何种条件下，大质量恒星会在赫罗图中表现出蓝-红-蓝演化？
• RQ3 哪些可观测差异可区分首次穿越赫罗图的BSGs与经历红超巨星阶段后再次返回蓝色区域的BSGs？
• RQ4 RSG阶段的质量损失如何影响L/M比值及BSGs中脉动不稳定性的可能性？
• RQ5 超巨星B[e]星（sgB[e]）的特性是否可由单星演化解释，还是双星起源更为合理？

主要发现

• 初始质量≥15 M⊙的恒星在主序后因半径膨胀与星风驱动的角动量损失共同作用，表现出显著的表面速度下降。
• 演化模型中¹²C/¹³C比值在RSG阶段末期迅速变化，表明CNO燃烧物质因质量损失而暴露。
• 第二次穿越BSGs在相同有效温度下，表面重力显著低于首次穿越BSGs，这是由于RSG阶段的质量损失所致。
• 第二次穿越BSGs的L/M比值超过10⁴ L⊙/M⊙，创造了有利于奇异脉动模态发展的条件。
• 观测到α Cygni变星（脉动的BSGs）支持15–25 M⊙恒星中存在蓝-红-蓝演化的事实。
• 只有当大多数BSGs处于首次穿越或在RSG阶段质量损失极少时，恒星模型才能重现观测到的FGLR，凸显质量损失在实现向蓝端演化中的关键作用。