[论文解读] The Wolf-Rayet stars in the Large Magellanic Cloud: A comprehensive analysis of the WN class

R. Hainich, U. Rühling+7 more|Jan 21, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 131被引用 83

一句话总结

本研究利用波茨坦沃尔夫-拉叶（PoWR）模型大气代码，对大麦哲伦云（LMC）中几乎所有已知的WN型沃尔夫-拉叶星进行了全面的光谱分析。通过将合成光谱拟合至紫外和光学数据，研究发现88%的单个WN星的光度位于log(L/L☉) = 5.3–5.8之间，且氢含量较低，表明其演化路径经过红超巨星阶段；而一小部分（12%）为极高光度且含有显著氢的恒星，可能起源于极高的初始质量。

ABSTRACT

Aims: Following our comprehensive studies of the WR stars in the Milky Way, we now present spectroscopic analyses of almost all known WN stars in the LMC. Methods: For the quantitative analysis of the wind-dominated emission-line spectra, we employ the Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. By fitting synthetic spectra to the observed spectral energy distribution and the available spectra (ultraviolet and optical), we obtain the physical properties of 107 stars. Results: We present the fundamental stellar and wind parameters for an almost complete sample of WN stars in the LMC. Among those stars that are putatively single, two different groups can be clearly distinguished. While 12% of our sample are more luminous than 10^6 Lsun and contain a significant amount of hydrogen, 88% of the WN stars, with little or no hydrogen, populate the luminosity range between log (L/Lsun) = 5.3...5.8. Conclusions: While the few extremely luminous stars (log (L/Lsun) > 6), if indeed single stars, descended directly from the main sequence at very high initial masses, the bulk of WN stars have gone through the red-supergiant phase. According to their luminosities in the range of log (L/Lsun) = 5.3...5.8, these stars originate from initial masses between 20 and 40 Msun. This mass range is similar to the one found in the Galaxy, i.e. the expected metallicity dependence of the evolution is not seen. Current stellar evolution tracks, even when accounting for rotationally induced mixing, still partly fail to reproduce the observed ranges of luminosities and initial masses. Moreover, stellar radii are generally larger and effective temperatures correspondingly lower than predicted from stellar evolution models, probably due to subphotospheric inflation.

研究动机与目标

• 对大麦哲伦云（LMC）中几乎所有已知的WN型沃尔夫-拉叶星进行全面的光谱分析。
• 利用先进的模型大气技术确定恒星及风的基本参数。
• 研究LMC中WN星的演化路径，并与恒星演化模型的预测进行比较。
• 评估金属丰度对WN星观测性质的影响，特别是与银河系的对比。
• 检验当前恒星演化轨迹（包括自转混合效应）是否能再现LMC中观测到的光度与质量分布。

提出的方法

• 采用波茨坦沃尔夫-拉叶（PoWR）模型大气代码分析以风主导的发射线光谱。
• 将合成光谱拟合至观测的光谱能量分布（SED）及通量校准的紫外和光学光谱。
• 在风模型中引入铁线遮蔽效应与微团块化，以提高所推导参数的准确性。
• 应用距离模数（DM = 18.5 mag）与低消光（E(B-V) < 0.25 mag）以推导绝对光度。
• 对光谱数据有限的恒星，分析来自视觉窄带、2MASS和IRAC仪器的测光数据。
• 将结果与理论模型进行比较，包括包含自转混合的模型，以评估其与演化轨迹的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对LMC中几乎完整的WN星样本，其基本恒星与风参数为何？
• RQ2 LMC中WN星的光度与氢含量与当前恒星演化模型的预测相比如何？
• RQ3 LMC中WN星的观测分布在多大程度上反映了金属丰度依赖的演化路径，特别是与银河系的对比？
• RQ4 为何观测到的恒星半径与有效温度偏离模型预测？其物理机制可能是什么？
• RQ5 当前恒星演化模型（包括自转混合）能否再现LMC中WN星的观测光度范围？

主要发现

• 本分析涵盖了LMC中的107颗WN星，提供了该类恒星的近乎完整样本。
• 88%的单个WN星的log(L/L☉)位于5.3至5.8之间，且氢含量极少或可忽略，表明其演化路径经过红超巨星阶段。
• 12%的样本光度超过10⁶ L☉且含有显著氢，表明其可能起源于极高的初始质量（>40 M☉）。
• 恒星半径普遍大于模型预测，有效温度则低于预测值，可能归因于次光球层膨胀（subphotospheric inflation）。
• 即使考虑自转混合，当前恒星演化轨迹仍无法完全再现观测到的光度与初始质量范围。
• LMC中演化路径的金属丰度依赖性并不明显，尽管金属丰度较低（Z ≈ 0.4 Z☉），WN星的初始质量范围（20–40 M☉）与银河系相似。