[论文解读] Zero-metallicity stars II. Evolution of very massive objects with mass loss

Paola Marigo, C. Chiosi+1 more|ArXiv.org|Dec 3, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用 53

一句话总结

本研究提出了零金属量极高质量恒星（120–1000 M☉）的演化模型，结合了辐射压力与旋转导致的质量损失。研究发现，辐射驱动的星风仅在质量超过750 M☉的恒星中有效，而旋转可在接近ΩΓ极限时触发短暂且强烈的质量损失，最高质量模型中可能产生显著的氦和CNO元素富集。

ABSTRACT

We present evolutionary models of zero-metallicity very massive objects, with initial masses in the range 120 Msun -- 1000 Msun, covering their quiescent evolution up to central carbon ignition. In the attempt of exploring the possible occurrence of mass loss by stellar winds, calculations are carried out with recently-developed formalisms for the mass-loss rates driven by radiation pressure (Kudritzki 2002) and stellar rotation (Maeder & Meynet 2000).The study completes the previous analysis by Marigo et al. (2001) on the constant-mass evolution of primordial stars. Our results indicate that radiation pressure (assuming a minimum metallicity Z = 10^{-4} Zsun)is not an efficient driving force of mass loss, except for very massive stars with M >= 750 Msun. On the other hand, stellar rotation might play a crucial role in triggering powerful stellar winds, once the (Omega-Gamma)-limit is approached. However, this critical condition of intense mass loss can be maintained just for short, as the loss of angular momentum due to mass ejection quickly leads to the spinning down of the star. As by-product to the present work, the wind chemical yields from massive zero-metallicity stars are presented. The helium and metal enrichments, and the resulting Delta(Y)/Delta(Z) ratio are briefly discussed.

研究动机与目标

• 对零金属量极高质量恒星（120–1000 M☉）进行准稳态演化建模，直至核心碳点燃。
• 评估辐射压力与恒星自转作为金属自由大质量恒星质量损失驱动力的有效性。
• 评估此类恒星对早期宇宙的化学产出与富集潜力。
• 将零金属量星族的等离子体等温线集扩展至包含极年轻年龄与高质心转折点。

提出的方法

• 使用详细恒星演化代码演化零金属量恒星模型，覆盖氢燃烧与氦燃烧阶段。
• 通过Kudritzki（2002）形式化方法引入辐射驱动质量损失，假设最小金属量为Z = 10⁻⁴ Z☉以评估辐射加速度。
• 采用Maeder & Meynet（2000）形式化方法处理旋转驱动质量损失，包含临界质量喷射的ΩΓ极限条件。
• 追踪质量喷射导致的角动量损失，以评估旋转质量损失的可持续性。
• 在赫罗图中构建理论等离子体等温线，年龄范围为10⁴至10¹⁰.²⁵ yr，间隔0.05 dex。
• 将星风产出与超新星产出相结合，估算星际介质中净氦与金属富集。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠辐射压力能否在零金属量极高质量恒星中驱动显著的质量损失？
• RQ2 恒星自转在多大程度上能诱导金属自由大质量恒星中强烈且持续的质量损失？
• RQ3 这些原初恒星的星风所产生的化学产出（特别是氦与CNO元素）为何？
• RQ4 预测的星风产出如何影响早期宇宙的原始氦丰度与金属富集？
• RQ5 此类大质量恒星对观测到的ΔY/ΔZ比值及其对原始丰度的解释有何影响？

主要发现

• 在初始质量低于约750 M☉的零金属量恒星中，即使假设最小金属量为Z = 10⁻⁴ Z☉，辐射压力也无法有效驱动质量损失。
• 仅初始质量≥750 M☉的恒星表现出显著的辐射质量损失，且质量损失率在该阈值以上急剧上升。
• 恒星自转可在接近ΩΓ极限时驱动强烈质量损失，预测质量损失率可达10⁻³ M☉ yr⁻¹，但因自转迅速衰减而仅持续短暂时间。
• 1000 M☉模型由于混合作用导致表面CNO元素富集，从而可通过这些元素实现更高质量损失，而低质量模型则不具备此特征。
• 一个极高质量恒星群体（≈1000 M☉）可产生约ΔY ≈ 0.01的氦富集，要求气体向恒星的转换效率约为10%。
• 在标准Salpeter初始质量函数下，由此产生的氦富集可忽略不计（ΔY ≈ 0），需极低的恒星形成效率（约0.01–0.1%）才能与观测限制相符。