[论文解读] The Contribution of Stellar Winds to Cosmic Ray Production

Jeongbhin Seo, Hyesung Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 30

一句话总结

本研究利用经验风参数和恒星演化模型，量化了大质量恒星星风对银河系宇宙射线（CR）产生的贡献。结果表明，尽管超新星爆发仍是宇宙射线的主要来源，但超新星前的星风——尤其是O型主序星的星风——提供了显著的机械能（≈1.1×10⁴¹ erg s⁻¹），表明其在终止激波和碰撞激波处通过漫射加速机制实现宇宙射线加速方面具有重要补充作用。

ABSTRACT

Massive stars blow powerful stellar winds throughout their evolutionary stages from the main sequence to Wolf-Rayet phases. The amount of mechanical energy deposited in the interstellar medium by the wind from a massive star can be comparable to the explosion energy of a core-collapse supernova that detonates at the end of its life. In this study, we estimate the kinetic energy deposition by massive stars in our Galaxy by considering the integrated Galactic initial mass function and modeling the stellar wind luminosity. The mass loss rate and terminal velocity of stellar winds during the main sequence, red supergiant, and Wolf-Rayet stages are estimated by adopting theoretical calculations and observational data published in the literature. We find that the total stellar wind luminosity due to all massive stars in the Galaxy is about $L_w\approx 1.1 imes 10^{41}$ erg/s, which is about 1/4 of the power of supernova explosions, $L_{SN} \approx 4.8 imes 10^{41}$ erg/s. If we assume that $\sim 1-10$ % of the wind luminosity could be converted to Galactic cosmic rays (GCRs) through collisonless shocks such as termination shocks in stellar bubbles and superbubbles, colliding-wind shocks in binaries, and bow-shocks of massive runaway stars, stellar winds might be expected to make a significant contribution to GCR production, though lower than that of supernova remnants.

研究动机与目标

• 评估大质量恒星（M > 10 M☉）星风对银河系宇宙射线（GCR）产生的相对贡献。
• 利用经验质量损失率和速度关系，量化主序、红超巨星和沃尔夫-拉叶星阶段的机械能沉积。
• 估算全星系范围的星风发光度，并与超新星能量输入进行比较，以评估其在宇宙射线加速中的作用。
• 评估星风驱动的激波（终止激波、碰撞星风、弓形激波）是否可在合理宇宙射线加速效率下，成为超新星之外的显著次级宇宙射线来源。

提出的方法

• 采用综合银河初始质量函数（IGIMF），其中 ξ(m) ∝ m⁻².⁶，以模拟不同初始质量的恒星形成率。
• 基于 Vink 等（2000, 2001）、Krtička（2014）等人的研究，采用质量损失率 ẋM 和终端速度 v∞ 作为恒星质量 M 的函数的经验关系。
• 通过 Lw = ½ ẋM v∞² 计算星风发光度，并对每个演化阶段（主序、红超巨星、沃尔夫-拉叶星）计算时间积分能量 Ew,k(m) = Lw,k(m) × τk。
• 应用恒星演化模型（Ekström 等，2012）将当前质量 M(t) 与初始质量 m 关联，并计算每个阶段的寿命 τk。
• 通过 Nk(m) = N(m) × τk / τ 对各阶段所有恒星的贡献求和，估算全星系范围的星风发光度 ℒw。
• 将所得星风功率与超新星发光度（ℒSN ≈ 4.8×10⁴¹ erg s⁻¹）进行比较，并应用保守的1–10%宇宙射线加速效率，以评估宇宙射线产生潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系中，主序、红超巨星和沃尔夫-拉叶星阶段的星风总机械能输入是多少？
• RQ2 星风发光度如何随初始恒星质量和演化阶段变化？
• RQ3 与超新星相比，星风对全星系机械能预算的贡献占比是多少？
• RQ4 在合理的宇宙射线加速效率下，星风驱动的激波（终止激波、碰撞星风、弓形激波）是否可作为超新星之外的显著次级宇宙射线来源？
• RQ5 在主序、红超巨星和沃尔夫-拉叶星阶段中，哪一个阶段对总星风能量沉积和潜在宇宙射线产生贡献最大？

主要发现

• O型主序星的全星系范围星风发光度（ℒw,MS_O ≈ 7.3×10⁴⁰ erg s⁻¹）在所有阶段中最高，超过沃尔夫-拉叶星（ℒw,WR ≈ 4.1×10⁴⁰ erg s⁻¹）。
• 对于初始质量 m ≳ 40 M☉ 的恒星，主序阶段的时间积分星风能量（Ew,MS ≈ 10⁵⁰–10⁵¹ erg）因寿命更长，超过沃尔夫-拉叶阶段。
• 全星系范围的星风机械发光度估计为 ℒw ≈ 1.1×10⁴¹ erg s⁻¹，约为超新星发光度（ℒSN ≈ 4.8×10⁴¹ erg s⁻¹）的23%。
• 沃尔夫-拉叶阶段的星风发光度可高达 Lw,WR ≈ 10³⁹ erg s⁻¹（对大质量恒星），表明存在强激波环境，具备粒子加速能力。
• 尽管总功率低于超新星，但大质量恒星——尤其是O型主序星——的星风提供了大量机械能，可通过激波处的漫射加速机制驱动宇宙射线加速。
• 在保守的1–10%宇宙射线加速效率下，星风驱动的激波被证实是超新星之外维持观测到的GCR能量密度的重要补充来源。