[论文解读] The VLT-FLAMES Tarantula Survey III: A very massive star in apparent isolation from the massive cluster R136

J. M. Bestenlehner, J. S. Vink+18 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|May 9, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 29被引用 71

一句话总结

本研究识别出VFTS 682，一颗位于大麦哲伦云R136星团29 pc外的极高质量恒星（log(L/L☉) = 6.5 ± 0.2，约150 M☉），处于明显孤立状态。利用VLT-FLAMES光谱数据与SED建模，研究揭示其具有极端消光（R_V ≈ 4.7）、高温（52.2 ± 2.5 kK）以及前所未有的长期光变特性（数年内亮度下降10%），表明其可能经历了化学同质演化，对当前大质量恒星形成与逃逸抛射模型构成挑战。

ABSTRACT

VFTS 682 is located in an active star-forming region, at a projected distance of 29 pc from the young massive cluster R136 in the Tarantula Nebula of the Large Magellanic Cloud. It was previously reported as a candidate young stellar object, and more recently spectroscopically revealed as a hydrogen-rich Wolf-Rayet (WN5h) star. Our aim is to obtain the stellar properties, such as its intrinsic luminosity, and to investigate the origin of VFTS 682. To this purpose, we model optical spectra from the VLT-FLAMES Tarantula Survey with the non-LTE stellar atmosphere code CMFGEN, as well as the spectral energy distribution from complementary optical and infrared photometry. We find the extinction properties to be highly peculiar (RV ~4.7), and obtain a surprisingly high luminosity log(L/Lsun) = 6.5 \pm 0.2, corresponding to a present-day mass of ~150Msun. The high effective temperature of 52.2 \pm 2.5kK might be explained by chemically homogeneous evolution - suggested to be the key process in the path towards long gamma-ray bursts. Lightcurves of the object show variability at the 10% level on a timescale of years. Such changes are unprecedented for classical Wolf-Rayet stars, and are more reminiscent of Luminous Blue Variables. Finally, we discuss two possibilities for the origin of VFTS 682: (i) the star either formed in situ, which would have profound implications for the formation mechanism of massive stars, or (ii) VFTS 682 is a slow runaway star that originated from the dense cluster R136, which would make it the most massive runaway known to date.

研究动机与目标

• 确定VFTS 682这颗在R136星团附近明显孤立的极高质量恒星的固有恒星参数。
• 探讨VFTS 682的起源，考虑其是否在原位形成或源自致密R136星团的抛射。
• 评估其高光度、极端消光及异常光变特性对大质量恒星形成与演化模型的影响。
• 评估化学同质演化在其观测特性形成中的作用。

提出的方法

• 利用VLT-FLAMES塔拉ntula巡天提供的光学数据，采用非-LTE恒星大气模型代码cmfgen对VFTS 682进行光谱分析。
• 结合2MASS、VISTA、SAGE和IRSF提供的光学与红外测光数据，对谱能分布（SED）进行建模。
• 利用R_V参数推导消光特性，得出R_V ≈ 4.7，表明尘埃特性异常。
• 基于Gräfener等人（2011）提出的质量-光度关系，假设氢同质燃烧，估算恒星光度与质量。
• 评估径向速度与运动学特性，以评估VFTS 682是否为来自R136的慢速逃逸星。
• 利用OGLE-III的V与I波段光变曲线（2001–2009年）及2010年的K波段数据，分析长期光变特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 VFTS 682的固有光度与质量是多少？其与已知极高质量恒星相比如何？
• RQ2 观测到的极端消光（R_V ≈ 4.7）的成因是什么？它如何影响所推导的恒星参数？
• RQ3 为何VFTS 682表现出长期光变特性（数年内亮度下降10%），这一特征在经典沃尔夫-拉叶星中尚属首次观测到？
• RQ4 VFTS 682是原位大质量恒星形成的产物，还是来自R136星团的慢速逃逸星？
• RQ5 化学同质演化在多大程度上可解释VFTS 682的高有效温度与高质质量？

主要发现

• VFTS 682具有高固有光度，log(L/L☉) = 6.5 ± 0.2，对应当前质量约150 M☉。
• 该星表现出极端消光，R_V ≈ 4.7，表明尘埃特性异常，且遭受显著消光（A_V ≈ 4.5）。
• 有效温度为52.2 ± 2.5 kK，与零龄主序位置一致，表明可能经历了化学同质演化。
• 观测到长期光变特性：2006至2009年间，V与I波段亮度下降约0.1 mag，2010年K波段亮度上升约0.15 mag，表现出类似LBV的行为。
• VFTS 682的径向速度约为300 km/s，与可能源自R136的慢速逃逸星一致，需真实速度约40 km/s才能在当前投影距离29 pc处达到该位置。
• VFTS 682最可能的初始质量为120–210 M☉，年龄为1–1.4 Myr，高氦丰度（Y = 0.45）支持通过快速初始自转（v_rot^init > 200 km/s）实现的化学同质演化。