A revision of the theory of hot-star winds

• Applicant: Professor Dr. Wolf-Rainer Hamann
• Subject Area: Astrophysics and Astronomy
• Term: from 2015 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 274933767

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Sterne, die viel massereicher sind als unsere Sonne, spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung des Kosmos. Als besondere Eigenschaft besitzen sie Sternwinde, durch die sie Materie in ihre Umgebung verströmen. Die enorm intensive Strahlung dieser Sterne wird im Sternwind teilweise absorbiert, wodurch riesige Materiemengen mit hoher Geschwindigkeit vom Stern abgeblasen werden. Dieser Massenverlust hat entscheidende Konsequenzen, einerseits für die Entwicklung der massereichen Sterne selbst, und andererseits für ihre Umgebung. Ziel des hier abgeschlossenen Projektes war, die strahlungsdruckgetriebenen Winde besser zu verstehen und theoretisch zu modellieren. Frühere Ansätze beruhten auf drastischen Vereinfachungen. Wir haben nun unsere sehr elaborierten Berechnungen des Strahlungstransports in heißen, expandierenden Sternatmosphären mit den hydrodynamischen Gleichungen kombiniert, um auf diese Weise konsistente Modelle zu konstruieren. Die auswärts fließende Strahlung überträgt ihren Impuls auf die Atome des Sternwinds, die dadurch beschleunigt werden. Nur durch detaillierte Berechnung dieses Strahlungsdrucks können zum Beispiel die sehr starken Winde bestimmter Sterne (sog. Wolf-Rayet-Sterne) überhaupt erklärt werden, bei denen jedes Photon mehrfach zur Windbeschleunigung genutzt wird. Der Antrieb des Sternwindes durch die Strahlung geschieht u.a. durch Absorption in Spektrallinien, wobei den Ionen linienreicher Elemente wie Eisen ein führender Anteil zukommt. Daher ist der Massenverlust von dem Anteil solcher Elemente in der Sternmaterie, der sog. Metallizitat, abhängig. In früheren kosmischen Epochen war diese Metallizität generell niedriger als heute, weil die schweren Elemente erst in den Sternen aufgebaut werden. Damit war wohl auch der Massenverlust in früheren Epochen weniger stark ausgeprägt. In dieser Situation bleibt am Ende der Sternentwicklung, wenn der Kern eines massereichen Sterns durch Gravitation kollabiert, eine größere Restmasse zur Verfügung. Im Rahmen dieses Projektes haben wir u.a. theoretisch vorhergesagt, wie der Massenverlust mit der Metallizität skaliert. Diese Frage ist aktuell von höchstem Interesse, seit man durch Gravitationswellen das Verschmelzen von überraschend großen Schwarzen Löchern detektiert hat.

Publications

• 2017, A&A 603, A86 Coupling hydrodynamics with comoving frame radiative transfer. I. A unified approach for OB and WR stars
  Sander, A. A. C.; Hamann, W. -R.; Todt, H.; Hainich, R.; Shenar, T.
  
• 2018, A&A 610, A60 Coupling hydrodynamics with comoving frame radiative transfer. II. Stellar wind stratification in the high-mass X-ray binary Vela X-1
  Sander, A. A. C.; Fürst, F.; Kretschmar, P.; Oskinova, L. M.; Todt, H.; Hainich, R.; Shenar, T.; Hamann, W.-R.
  
• 2019, A&A 621, A85 PoWR grids of non-LTE model atmospheres for OB-type stars of various metallicities
  Hainich, R.; Ramachandran, V.; Shenar, T.; Sander, A. A. C.; Todt, H.; Gruner, D.; Oskinova, L. M.; Hamann, W.-R.
  
• 2019, A&A 621, A92 The Galactic WC and WO stars. The impact of revised distances from Gaia DR2 and their role as massive black hole progenitors
  Sander, A. A. C. and Hamann, W. -R. and Todt, H. and Hainich, R. and Shenar, T. and Ramachandran, V. and Oskinova, L. M.
  
• 2019, A&A 625, A57 The Galactic WN stars revisited. Impact of Gaia distances on fundamental stellar parameters
  Hamann, W. -R.; Gräfener, G.; Liermann, A.; Hainich, R.; Sander, A. A. C.; et al.
  
• 2019, MNRAS. Driving classical Wolf-Rayet winds: A Gamma- and Z-dependent mass-loss
  Sander, A. A. C.; Vink, J. S.; Hamann, W.-R.