[论文解读] The Properties of Fast Yellow Pulsating Supergiants: FYPS Point the Way to Missing Red Supergiants

Trevor Z. Dorn-Wallenstein, Emily M. Levesque+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 110被引用 12

一句话总结

本研究利用TESS两分钟采样光曲线，在大、小麦哲伦星系中识别出36颗脉动的低温超巨星，发现当log L/L⊙ > 5.0时——对应初始质量约为18–20 M⊙——这些恒星为快速黄脉动超巨星（FYPS）。FYPS可能代表后红超巨星演化阶段，其脉动行为从较冷恒星中的高频p模转变为较热恒星中的低频g模，表明其内部结构或可借助星震学手段进行探测。

ABSTRACT

Fast yellow pulsating supergiants (FYPS) are a recently-discovered class of evolved massive pulsator. As candidate post-red supergiant objects, and one of the few classes of pulsating evolved massive stars, these objects have incredible potential to change our understanding of the structure and evolution of massive stars. Here we examine the lightcurves of a sample of 126 cool supergiants in the Magellanic Clouds observed by the Transiting Exoplanet Survey Satellite ( ess~) in order to identify pulsating stars. After making quality cuts and filtering out contaminant objects, we examine the distribution of pulsating stars in the Hertzprung-Russel (HR) diagram, and find that FYPS occupy a region above $\log L/L_\odot \gtrsim 5.0$. This luminosity boundary corresponds to stars with initial masses of $\sim$18-20 $M_\odot$, consistent with the most massive red supergiant progenitors of supernovae (SNe) II-P, as well as the observed properties of SNe IIb progenitors. This threshold is in agreement with the picture that FYPS are post-RSG stars. Finally, we characterize the behavior of FYPS pulsations as a function of their location in the HR diagram. We find low frequency pulsations at higher effective temperatures, higher frequency pulsations at lower temperatures, with a transition between the two behaviors at intermediate temperatures. The observed properties of FYPS make them fascinating objects for future theoretical study.

研究动机与目标

• 利用TESS光曲线识别并表征大、小麦哲伦星系中的脉动演化大质量恒星。
• 通过分析其在赫罗图中的位置，确定快速黄脉动超巨星（FYPS）是否为后红超巨星（post-RSG）天体。
• 研究FYPS的脉动行为随有效温度和光度的变化，以推断其内部结构与演化状态。
• 评估利用FYPS开展星震学研究以探测大质量恒星晚期演化过程的可行性。
• 通过识别演化为后RSG状态前发生核心塌缩的红超巨星的最小初始质量阈值，解决“红超巨星难题”。

提出的方法

• 从Neugent等（2010, 2012）的研究中选取219颗低温超巨星，要求log L/L⊙ > 4，通过Gaia DR2天体测量数据确认其属于大、小麦哲伦星系，并满足TESS星等在T = 4至T = 12之间。
• 对TESS光曲线应用质量筛选，以去除仪器噪声和邻近恒星污染的影响。
• 采用傅里叶分析和周期图技术检测并表征候选恒星光曲线中的脉动模式。
• 利用近红外测光和Gaia数据获得的有效温度（log Teff）和光度（log L/L⊙）将脉动恒星映射至赫罗图中。
• 通过自助重采样检验赫罗图中聚类的统计显著性，排除随机污染作为解释的可能性。
• 基于温度依赖的恒星结构，提出一个物理解释模型，将脉动模式转变（p模主导到g模主导）与对流包层的存在或缺失联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 快速黄脉动超巨星（FYPS）是否在赫罗图中占据一个独特区域，从而支持其作为后红超巨星演化阶段的识别？
• RQ2 FYPS被观测到的光度阈值（log L/L⊙）是多少？该阈值是否对应于已知II-P型超新星前身星的初始质量范围？
• RQ3 FYPS的脉动频率和模式结构如何随有效温度变化？这对它们的内部结构有何含义？
• RQ4 FYPS中观测到的脉动行为是否可由p模（在对流包层中）与g模（在辐射区内部）耦合的混合模振荡解释？
• RQ5 FYPS在多大程度上可作为星震学研究的目标，以探测演化大质量恒星的内部结构？

主要发现

• 在126颗确认属于大、小麦哲伦星系的低温超巨星中，有36颗被识别为脉动星，其中12颗位于log L/L⊙ > 5.0区域，被归类为快速黄脉动超巨星（FYPS）。
• FYPS仅出现在log L/L⊙ ≳ 5.0以上区域，对应初始质量约为18–20 M⊙，与已知II-P型超新星前身星的推断质量极限一致。
• 脉动行为从较冷FYPS（Teff < ~5500 K）的高频p模转变为较热FYPS（Teff > ~5500 K）的低频g模，与外层变为辐射层的时间点一致。
• 约5500 K的转变温度与对流包层收缩、辐射区形成的时间点吻合，表明g模仅在外部层变为辐射层后才能传播至表面。
• 观测到的脉动频率与后红超巨星模型中g模的传播一致，且p模与g模腔体之间的薄衰减层支持混合模振荡的可能性。
• 本研究结论认为FYPS很可能是后RSG天体，其脉动为从对流核心到表面探测大质量恒星内部结构提供了独特机会。