[论文解读] The nature of B supergiants: clues from a steep drop in rotation rates at 22000 K. The possibility of Bi-stability braking

J. S. Vink, I. Brott+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 19被引用 56

一句话总结

该论文提出，B型超巨星在约22,000 K时旋转速率急剧下降的原因是双稳态制动（BSB）机制，即在双稳态跃迁处质量损失增强，导致角动量损失增加，从而减缓旋转。该机制得到恒星演化模型的支持，为较冷B型超巨星的慢速旋转提供了物理解释，并可能解决大质量恒星演化中长期存在的疑问。

ABSTRACT

The location of B supergiants in the Hertzsprung-Russell diagram (HRD) represents a long-standing problem in massive star evolution. Here we propose their nature may be revealed utilising their rotational properties, and we highlight a steep drop in massive star rotation rates at an effective temperature of 22000 K. We discuss two potential explanations for it. On the one hand, the feature might be due to the end of the main sequence, which could potentially constrain the core overshooting parameter. On the other hand, the feature might be the result of enhanced mass loss at the predicted location of the bi-stability jump. We term this effect "bi-stability breaking" and discuss its potential consequences for the evolution of massive stars.

研究动机与目标

• 为解决B型超巨星演化状态的长期难题，特别是解释其作为大质量恒星却旋转缓慢的原因。
• 研究在约22,000 K处观测到的旋转速度陡降是否由核心氢燃烧（主序星）或演化后阶段引起。
• 检验假设：在双稳态跃迁处质量损失增强会导致显著的角动量损失，称为“双稳态制动”（BSB）。
• 确定BSB是否能解释不同质量与金属度下B型超巨星的旋转特性。
• 评估BSB对核心对流超射参数及大质量恒星演化模型中蓝超巨星与红超巨星比例的影响。

提出的方法

• 使用包含旋转与质量损失的恒星演化模型，模拟了40 M☉恒星的演化，将双稳态跃迁处的质量损失（约22,000 K）纳入模型。
• 模型中包含了风驱动的角动量输运，质量损失率在双稳态跃迁处提高5至7倍，符合Vink等人（1999年）的预测。
• 在双稳态跃迁处，终端风速降低约2倍，与观测结果一致（Crowther等人，2006年）。
• 通过对比包含与不包含双稳态跃迁的模型，分离BSB对表面旋转的影响。
• 通过改变核心对流超射参数α_ov，确定BSB的临界质量阈值（标准模型中为≥30 M☉）。
• 通过将α_ov提高至0.5，测试BSB对α_ov的敏感性，结果表明在更高对流超射下，BSB可扩展至更低质量（如20 M☉）。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何B型超巨星在约22,000 K处表现出旋转速度的急剧下降？其背后的物理机制是什么？
• RQ2 双稳态跃迁处的质量损失增强是否能通过增强的角动量损失，解释较冷B型超巨星的观测到的慢速旋转？
• RQ3 双稳态制动（BSB）在多大程度上依赖于核心对流超射参数α_ov？这如何影响演化轨迹的预测？
• RQ4 在22,000 K处观测到的旋转速度下降，更合理地由主序星与演化后星的双峰分布解释，还是由连续的制动机制解释？
• RQ5 BSB对B型超巨星的演化状态有何影响，特别是关于其核心氢燃烧性质及蓝超巨星与红超巨星比例的解释？

主要发现

• 在约22,000 K处旋转速度的陡降与双稳态跃迁的理论位置高度相关，支持双稳态制动（BSB）的假设。
• 在包含双稳态跃迁的模型中，由于角动量损失增强，表面旋转速率在约22,000 K处急剧下降；而未包含跃迁的模型则无此现象。
• 在标准模型（α_ov = 0.335）中，双稳态制动仅对初始质量≥30 M☉的恒星有效，表明该效应存在质量阈值。
• 当核心对流超射参数α_ov提高至0.5时，BSB可扩展至更低质量（如20 M☉），表明该效应具有模型依赖性。
• BSB机制可解释为何较冷的B型超巨星为慢速旋转体，可能解决长期以来关于其是否为主序星或演化后星的争议。
• 若BSB可作用于约10 M☉的恒星，则意味着当前约束下的α_ov需显著增大，这对大质量恒星演化模型及蓝超巨星与红超巨星比例的解释具有深远影响。