[论文解读] The extreme scarcity of dust-enshrouded red supergiants: consequences for producing stripped stars via winds

Emma R. Beasor, Nathan Smith|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 70被引用 28

一句话总结

本研究重新評估了塵埃包圍的紅超巨星（DE-RSGs）的存在與重要性，結論指出僅在大麥哲倫星系（LMC）中的一顆紅超巨星——WOH G64——真正表現出高質量流失率（>10⁻⁴ M⊙/yr）與顯著的塵埃消光。利用更新的光度數據與DUSTY輻射傳輸模型，作者發現DE-RSGs極其稀少且壽命極短，限制了其在單星演化中的角色，並排除了通過RSG質量流失驅動產生缺殼層超新星的可能性。

ABSTRACT

Quiescent mass-loss during the red supergiant (RSG) phase has been shown to be far lower than prescriptions typically employed in single-star evolutionary models. Importantly, RSG winds are too weak to drive the production of Wolf-Rayets (WRs) and stripped-envelope supernovae (SE-SNe) at initial masses of roughly 20--40$M_{\odot}$. If single-stars are to make WRs and SE-SNe, this shifts the burden of mass-loss to rare dust-enshrouded RSGs (DE-RSGs), objects claimed to represent a short-lived high mass-loss phase. Here, we take a fresh look at the purported DE-RSGs. By modeling the mid-IR excesses of the full sample of RSGs in the LMC, we find that only one RSG has both a high mass-loss rate (\mdot $\ge$ 10$^{-4}$ $M_{\odot}$ yr$^{-1}$) and a high optical circumstellar dust extinction (7.92 mag). This one RSG is WOH G64, and it is the only one of the 14 originally proposed DE-RSGs that is actually dust enshrouded. The rest appear to be either normal RSGs without strong infrared-excess, or lower-mass asymptotic giant branch (AGB) stars. Only one additional object in the full catalog of RSGs (not previously identified as a DE-RSG) shows strong mid-IR excess. We conclude that if DE-RSGs do represent a pre-SN phase of enhanced \mdot\ in single-stars, it is extremely short-lived, only capable of removing $\leq$2\msun\ of material. This rules out the single-star post-RSG pathway for the production of WRs, LBVs, and SE-SN. Single-star models should not employ \mdot-prescriptions based on these extreme objects for any significant fraction of the RSG phase.

研究动机与目标

• 重新評估van Loon等人（2005年）提出的塵埃包圍紅超巨星（DE-RSGs）的存在與特性。
• 確定DE-RSGs是否代表單星演化中顯著且長壽的質量流失增強階段。
• 評估van Loon等人（2005年）針對RSGs的質量流失公式在恆星演化模型中的有效性。
• 量化DE-RSGs對Wolf-Rayet星與缺殼層超新星產生的演化影響。
• 評估DE-RSG階段是否能移除足夠質量以改變大質量恆星的最終命運。

提出的方法

• 利用Davies等人（2018年）的LMC冷超巨星目錄中更新的光度數據，以實現高空間解析度與高敏感度。
• 對van Loon等人（2005年）樣本中的14顆RSG應用DUSTY輻射傳輸模型，分析其光譜能量分布（SEDs）。
• 根據中紅外過量與光學消光計算質量流失率（Ṁ）與周圍塵埃消光。
• 將模擬的SED與van Loon等人（2005年）的公式以及星團中正常RSGs進行比較。
• 使用色-光度圖測試DE-RSGs是否形成獨特的演化序列。
• 在可用情況下評估Spitzer-IRS數據，以驗證塵埃輻射模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 van Loon等人（2005年）提出的DE-RSGs是否真正表現出高質量流失率與顯著的塵埃消光？
• RQ2 DE-RSG階段是否為單顆紅超巨星中常見或短暫的演化階段？
• RQ3 van Loon等人（2005年）的質量流失公式是否可可靠地應用於單星演化模型？
• RQ4 此階段最多能移除多少質量？是否足以產生缺殼層超新星？
• RQ5 DE-RSGs在光度與演化特性上是否真正與正常RSGs或AGB星區分開來？

主要发现

• 在LMC中僅有一顆RSG——WOH G64——被確認為真正被塵埃包圍，其質量流失率超過10⁻⁴ M⊙/yr，且光學消光達7.92 mag。
• 另一個候選者LI-LMC 1100顯示強烈的中紅外過量，但尚未經進一步觀測確認。
• 原始van Loon等人（2005年）樣本中的其餘12個天體並未被塵埃包圍，其質量流失率屬正常RSG水平。
• DE-RSGs僅佔LMC RSG總數的3%，暗示此階段的持續時間最多不超過30,000年。
• 此階段最多可移除1至2 M⊙的質量，不足以使恆星返回赫羅圖的藍邊。
• van Loon等人（2005年）的公式過高估計了質量流失，不應在單星演化模型中使用。