[论文解读] Very low metallicity massive star models: Pre-SN evolution and primary nitrogen production

Raphaël Hirschi|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 61被引用 137

一句话总结

本文针对极低金属度（Z = 10⁻⁸）的旋转大质量恒星模型，以解释极端金属贫金属星的表面丰度。旋转驱动CNO循环混合与质量损失，导致原生氮的产生，并形成WO型沃尔夫-拉叶星，预测在极低金属度下产生Ic型超新星及潜在的长软伽马射线暴。

ABSTRACT

Two series of models were computed. The first series consists of 20 solar mass models with varying initial metallicity (Z=0.02 down to Z=10^{-8}) and rotation (V_{ini}=0-600 km/s). The second one consists of models with an initial metallicity of Z=10^{-8}, masses between 9 and 85 solar masses and fast initial rotation velocities (V_{ini}=600-800 km/s). The most interesting models are the models with Z=10^{-8} ([Fe/H]~-6.6). In the course of helium burning, carbon and oxygen are mixed into the hydrogen burning shell. This boosts the importance of the shell and causes a reduction of the CO core mass. Later in the evolution, the hydrogen shell deepens and produces large amount of primary nitrogen. For the most massive models (M>~60 solar masses), significant mass loss occurs during the red supergiant stage. This mass loss is due to the surface enrichment in CNO elements via rotational and convective mixing. The 85 solar mass model ends up as a WO type Wolf-Rayet star. Therefore the models predict SNe of type Ic and possibly long and soft GRBs at very low metallicities. The rotating 20 solar mass models can best reproduce the observed CNO abundances at the surface of extremely metal poor (EMP) stars and the metallicity trends when their angular momentum content is the same as at solar metallicity (and therefore have an increasing surface velocity with decreasing metallicity). The wind of the massive star models can also reproduce the CNO abundances of the most metal-poor carbon-rich star known to date, HE1327-2326.

研究动机与目标

• 解释极端金属贫金属（EMP）星观测到的表面丰度，特别是原生氮的过量生产。
• 研究旋转与金属度在大质量恒星预超新星演化中的作用。
• 确定大质量恒星的星风是否能再现目前已知最金属贫金属星HE1327-2326的CNO丰度。
• 评估在何种条件下，极低金属度下的大质量恒星可形成沃尔夫-拉叶星，并可能产生长时标的伽马射线暴。
• 提供轻元素的恒星产出，以支持星系化学演化模型。

提出的方法

• 计算了初始金属度从Z = 0.02至Z = 10⁻⁸、质量为20 M☉的模型，旋转速度范围为0至600 km s⁻¹。
• 在Z = 10⁻⁸下，计算了质量从9至85 M☉、初始旋转速度较高的模型（600–800 km s⁻¹）。
• 使用恒星演化代码，从氧燃烧阶段起采用扩散对流与非局部对流（α = 0.1 H_P）。
• 采用NACRE反应速率，并采用初始组成接近太阳，Y_p = 0.24，ΔY/ΔZ = 2.5。
• 追踪氦燃烧与氢壳层燃烧过程中的表面丰度，重点关注CNO的生成与质量损失。
• 将风与核心产出与极端金属贫金属星（包括HE1327-2326与CS22949-037）的观测丰度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Z = 10⁻⁸下，大质量恒星的旋转在多大程度上可解释极端金属贫金属星中观测到的原生氮过量？
• RQ2 旋转与湍流混合在驱动低金属度大质量恒星的质量损失与表面富集中起何作用？
• RQ3 在Z = 10⁻⁸下，大质量恒星的风组成能否再现最金属贫金属星HE1327-2326的CNO丰度？
• RQ4 在何种初始质量与金属度下，大质量恒星演化为WO型沃尔夫-拉叶星？其对Ic型超新星与伽马射线暴形成有何启示？
• RQ5 这些模型中轻元素（C、N、O）的产出与观测及星系化学演化约束相比如何？

主要发现

• 在Z = 10⁻⁸下，氦燃烧阶段的旋转混合将碳与氧输运至氢燃烧壳层，从而减少CO核心质量。
• 后期演化中氢壳层的加深导致大量原生氮的生成，解释了极端金属贫金属星中观测到的氮过量。
• 对于M ≥ 60 M☉的恒星，由于旋转与混合导致表面CNO元素富集，红超巨星阶段发生显著质量损失。
• 85 M☉模型演化为WO型沃尔夫-拉叶星，表明此类恒星可在极低金属度下形成。
• 模型预测，Z = 10⁻⁸下的大质量恒星可产生Ic型超新星，并可能引发长时标、软谱段的伽马射线暴。
• 85 M☉模型的风组成与HE1327-2326的C、N、O丰度一致，支持该星由单颗Pop II.5星的富集物质形成的假设。