[论文解读] The Eddington factor as the key to understand the winds of the most massive stars. Evidence for a Gamma-dependence of Wolf-Rayet type mass loss

G. Gräfener, J. S. Vink+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 88

一句话总结

本文提出，Eddington因子Γₑ是大质量恒星中沃尔夫-拉叶型质量损失的主要驱动力，表明观测到的质量损失率强烈依赖于Γₑ。通过恒星结构模型和质量-光度关系，作者表明接近Eddington极限（以Γₑ量化）解释了年轻、富含氢的WNh恒星中增强质量损失的起始，对恒星演化、黑洞形成以及伽马射线暴前身体具有重要意义。

ABSTRACT

The most massive stars are thought to be hydrogen-rich Wolf-Rayet stars of late spectral subtype (WNh stars). In previous theoretical studies the enhanced mass loss of these stars has been attributed to their proximity to the Eddington limit. Here we investigate observed trends in the mass-loss properties of such young, very massive stars. We derive theoretical mass-luminosity relations for very massive stars, based on a large grid of stellar structure models. Using these relations, we estimate Eddington factors for a sample of stars, under different assumptions of their evolutionary status. We evaluate the resulting mass-loss relations, and compare them with theoretical predictions. We find observational evidence that the mass loss in the WR regime is dominated by the Eddington parameter Gamma_e, which has important consequences for the way we understand Wolf-Rayet stars and their mass loss. In addition, we derive wind masses that support the picture that the WNh stars in young stellar clusters are very massive, hydrogen-burning stars. Our findings suggest that the proximity to the Eddington limit is the physical reason for the onset of Wolf-Rayet type mass loss. This means that, e.g. in stellar evolution models, the Wolf-Rayet stage should be identified by large Eddington parameters, instead of a helium-enriched surface composition. The latter is most likely only a consequence of strong mass loss, in combination with internal mixing. For very massive stars, the enhanced Gamma-dependent mass loss is responsible for the formation of late WNh subtypes with high hydrogen surface abundances, partly close to solar. Because mass loss dominates the evolution of very massive stars, we expect a strong impact of this effect on their end products, in particular on the potential formation of black holes, and Gamma-Ray Bursts, as well as the observed upper mass limit of stars.

研究动机与目标

• 调查沃尔夫-拉叶型质量损失在最重恒星中是否主要由Eddington因子Γₑ而非表面成分决定。
• 利用来自恒星结构模型的质量-光度关系，确定阿克斯星团中年轻明亮WNh恒星的演化状态。
• 检验理论预测：在极高质量恒星中，质量损失与Γₑ成比例，特别是在接近Eddington极限时。
• 重新评估恒星演化模型中沃尔夫-拉叶相的定义，建议应以高Γₑ而非氦富集的表面丰度来定义。
• 评估Γₑ依赖性质量损失对大质量恒星最终命运的影响，包括黑洞形成和上端恒星质量函数。

提出的方法

• 利用大规模恒星结构模型网格，推导化学均匀、氢燃烧恒星的理论质量-光度关系。
• 在不同演化假设下，利用观测到的光度和表面丰度，估算阿克斯星团恒星的Eddington因子Γₑ。
• 应用基于Eddington原始模型的多级方程状态，假设β（辐射压分数）恒定，导出比例关系G₄ ≡ Γₑ/(1−Γₑ)⁴ ∝ M²。
• 基于模型网格推导G₄关于质量M和氢质量分数X_H的经验拟合关系式，系数由模型网格得出。
• 使用反关系式（公式24）从G₄计算Γₑ，实现将观测光度转换为Eddington参数。
• 利用表4中的拟合系数，推导出氢燃烧星和氦燃烧星的质量估计值M_hom(G₄, X_H)和M_Heb(G₄)。

实验结果

研究问题

• RQ1 在年轻、大质量的WNh恒星中，观测到的质量损失率是否与Eddington因子Γₑ相关，而非表面成分？
• RQ2 Eddington因子Γₑ在多大程度上解释了极高质量恒星中沃尔夫-拉叶型质量损失的起始？
• RQ3 能否利用理论质量-光度关系，从光度和表面丰度数据可靠地推导出阿克斯星团恒星的质量估计？
• RQ4 在接近Eddington极限的恒星中，质量损失与Γₑ的定量比例关系如何？与理论预测相比有何差异？
• RQ5 Γₑ依赖性质量损失如何影响最重恒星的演化路径和最终命运，包括黑洞形成和长持续时间伽马射线暴前身体？

主要发现

• 观测证据支持质量损失强烈依赖于Eddington因子Γₑ，表明接近Eddington极限是沃尔夫-拉叶型质量损失的物理驱动力。
• Eddington因子Γₑ被发现是比表面成分更基本的参数，用于识别沃尔夫-拉叶相，其中氦富集是质量损失的结果而非原因。
• 阿克斯星团中WNh恒星的风质量估计支持这一解释：这些是质量高达4000 M☉的极高质量、氢燃烧恒星。
• 推导出的G₄ ≡ Γₑ/(1−Γₑ)⁴的拟合关系在log(G₄)上的最大拟合误差仅为0.03，可实现从光度和成分精确估算Γₑ。
• Γₑ依赖性质量损失机制可解释晚期WNh亚型的存在，其氢表面丰度较高，甚至接近太阳值，这是由于高Γₑ下质量损失增强所致。
• 结果表明，Γₑ依赖性质量损失在塑造恒星的上端质量函数、决定黑洞形成潜力以及长持续时间伽马射线暴前身体的形成中起着关键作用。