[论文解读] X-Shooting ULLYSES: Massive stars at low metallicity. III. Terminal wind speeds of ULLYSES massive stars

C. Hawcroft, H. Sana+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的ULLYSES巡天提供的紫外光谱，测量了大、小麦哲伦云中186颗大质量恒星的终端风速（$v_\infty$）。研究发现终端风速与表面逃逸速度之间存在线性关系，大麦哲伦云中$ v_\infty / v_{\text{esc}} = 2.4 \pm 0.4 $，小麦哲伦云中为$ 2.0 \pm 0.6 $，并发现风速与金属丰度存在$ v_\infty \propto Z^{0.22 \pm 0.03} $的关系，与近期理论模型一致。

ABSTRACT

The winds of massive stars have an impact on stellar evolution and on the surrounding medium. The maximum speed reached by these outflows, the terminal wind speed, is a global wind parameter and an essential input for models of stellar atmospheres and feedback. With the arrival of the ULLYSES programme, a legacy UV spectroscopic survey with HST, we have the opportunity to quantify the wind speeds of massive stars at sub-solar metallicity (in the Large and Small Magellanic Clouds, 0.5Z and 0.2Z) at an unprecedented scale. We empirically quantify the wind speeds of a large sample of OB stars, including supergiants, giants, and dwarfs at sub-solar metallicity. Using these measurements, we investigate trends of terminal wind speed with a number of fundamental stellar parameters, namely effective temperature, metallicity, and surface escape velocity. We empirically determined the terminal wind speed for a sample of 149 OB stars in the Magellanic Clouds either by directly measuring the maximum velocity shift of the absorption component of the Civ 1548-1550 line profile, or by fitting synthetic spectra produced using the Sobolev with exact integration method. Stellar parameters were either collected from the literature, obtained using spectral-type calibrations, or predicted from evolutionary models. We find strong trends of terminal wind speed with effective temperature and surface escape speed when the wind is strong enough to cause a saturated P Cygni profile in Civ 1548-1550. We find evidence for a metallicity dependence on the terminal wind speed proportional to Z^0.22+-0.03 when we compared our results to previous Galactic studies. Our results suggest that effective temperature rather than surface escape speed should be used as a straightforward empirical prediction of terminal wind speed and that the observed metallicity dependence is steeper than suggested by earlier works.

研究动机与目标

• 通过实测手段量化大麦哲伦云和小麦哲伦云中低太阳系金属丰度环境下大质量恒星的终端风速（$v_\infty$）。
• 研究$ v_\infty $对逃逸速度、有效温度和金属丰度等恒星参数的依赖关系。
• 将实测趋势与理论预测进行比较，评估$ v_\infty $估算方法的可靠性。

提出的方法

• 从哈勃空间望远镜获取的高分辨率紫外光谱中，通过C IV λ1548–1550共振双线蓝端位置测量$ v_\infty $。
• 利用合成光谱网格和轮廓拟合方法，对大麦哲伦云和小麦哲伦云中的186颗OB型恒星推导出$ v_\infty $。
• 根据演化轨迹得到的恒星质量和半径估算值，计算表面逃逸速度（$ v_{\text{esc}} $）。
• 应用线性回归分析$ v_\infty $与$ v_{\text{esc}} $、有效温度和金属丰度之间的趋势。
• 通过RMS（均方根）残差评估$ v_\infty $估算方法的可靠性，分析趋势中的离散程度。
• 将结果与理论模型及先前文献进行比较，并校正金属丰度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低金属丰度环境下，大质量恒星的终端风速（$ v_\infty $）与表面逃逸速度（$ v_{\text{esc}} $）之间的实测关系是什么？
• RQ2 $ v_\infty $ 如何依赖于有效温度？与$ v_{\text{esc}} $相比，它是否是更可靠的估算指标？
• RQ3 $ v_\infty $ 对金属丰度的依赖关系如何？与理论预测相比有何异同？
• RQ4 $ v_\infty $ 测量值的离散程度如何随不同恒星参数变化？哪种参数能提供最精确的估算？

主要发现

• 大麦哲伦云中终端风速与表面逃逸速度的平均比值为$ v_\infty / v_{\text{esc}} = 2.4 \pm 0.4 $，小麦哲伦云中为$ 2.0 \pm 0.6 $。
• $ v_\infty $ 与$ v_{\text{esc}} $关系的离散度高于$ v_\infty $与有效温度的关系，大麦哲伦云中RMS值分别为278 km s⁻¹和351 km s⁻¹，小麦哲伦云中分别为498 km s⁻¹和700 km s⁻¹。
• $ v_\infty $ 与有效温度的关系离散度较低，大麦哲伦云中RMS为237 km s⁻¹，小麦哲伦云中为477 km s⁻¹，表明有效温度比$ v_{\text{esc}} $是更可靠的$ v_\infty $预测因子。
• 发现$ v_\infty \propto Z^{0.22 \pm 0.03} $的金属丰度依赖关系，RMS离散度为305 km s⁻¹，该关系斜率比理论预测的$ Z^{0.13} $更陡峭，但与Vink & Sander（2021）的近期模型一致。
• 由于低温区域样本数量不足，未发现$ v_\infty / v_{\text{esc}} $在21 kK以下存在显著趋势。
• 结果对致密星风恒星最为可靠；对低密度星风恒星（如质量损失率较低者）的应用仍存在不确定性。