Episodic mass loss in extreme red supergiants

Abstract

Mass loss plays a fundamental role in the late stages of stellar evolution, potentially altering the evolutionary path and ultimately determining the final fate of a star. Red Supergiants (RSGs) are cool, evolved massive stars with initial masses from 8 to 30 M⊙ . They are known to be prolific dust producers due to their strong winds. However, recent studies favor weak steady winds, challenging theoretical evolutionary models. Observational evidence, including photometric detections and spatially resolved circumstellar material, indicates that episodic mass loss may significantly impact RSG evolution. Understanding episodic mass loss is crucial for addressing a missing component in both mass-loss prescriptions and evolutionary models. In this thesis, we combine multi-wavelength long-term photometry and multi-epoch spectroscopy to investigate episodic mass loss in extreme RSGs. Our first study focuses on [W60] B90, a very luminous RSG in the Large Magellanic Cloud (LMC). We discovered three dimming events over the past 30 years, recurring approximately every 12 years. Spectroscopic observations during the most recent event revealed atmospheric properties similar to those observed during the ‘Great Dimming’ of Betelgeuse, demonstrating that [W60] B90 is undergoing recurrent episodic mass loss. Similarly to Betelgeuse, [W60] B90 is surrounded by shocked material and a mysterious nebular bar at a parsec-scale distance. We concluded that [W60] B90 is a massive analog to Betelgeuse in the LMC, providing valuable insights into episodic mass loss at subsolar metallicity. We also performed a comprehensive study of WOH G64, considered since the 1980s as the most extreme RSG in the Large Magellanic Cloud given its outstanding size, mass-loss rate, and proximity to the Humphreys-Davidson limit. We discovered an abrupt change in 2014 from long-term photometry, despite the absence of an outburst. Subsequent spectroscopy revealed an unprecedented transition, with WOH G64 now exhibiting B[e] spectral features. We discovered that WOH G64 has transitioned to a Yellow Hypergiant and is part of a massive symbiotic system with a B-star companion. The novelty of these results prevented us from determining the cause of the transition. We proposed that a silent eruption, binary interactions, or a pre-supernova wind phase drove the transition. Finally, we present the results of the survey of dusty, evolved massive stars in the nearby galaxies IC 10, IC 1613, and NGC 6822. We discovered four dusty K-type RSGs, which are strong candidates for episodic mass loss. Additionally, we report an obscured object, whose spectral emission lines indicate ongoing enhanced mass loss, which has a G−[3.6] color similar to WOH G64. These surveys provide a crucial foundation for identifying candidates for further detailed studies, allowing us to confirm and better understand episodic mass-loss events. This dissertation highlights the importance of long-term variability studies and archival data in detecting episodic mass-loss events. In-depth analysis of specific objects yields great insight into physical processes that are imperceptible when performing large surveys. Our findings reveal that episodic mass loss in RSGs is not rare, can play a role in stellar evolution, occurs across different metallicities, and manifests in various ways, particularly as dimming events. Future studies will undoubtedly uncover their underlying causes and determine the circumstances under which they influence stellar evolution.

Η απώλεια μάζας παίζει θεμελιώδη ρόλο στα τελευταία στάδια της αστρικής εξέλιξης, μεταβάλλοντας ενδεχομένως την εξελικτική πορεία και καθορίζοντας την τελική μοίρα ενός άστρου. Οι Ερυθροί Υπεργίγαντες (RSG) είναι ψυχροί, εξελιγμένοι αστέρες μεγάλης μάζας με αρχικές μάζες από 8 έως 30 Μ⊙ . Είναι γνωστό ότι είναι παραγωγικοί παραγωγοί σκόνης λόγω των ισχυρών ανέμων τους. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες συνηγορούν υπέρ των ασθενών σταθερών ανέμων, προκαλώντας τα θεωρητικά εξελικτικά μοντέλα. Παρατηρησιακά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων φωτομετρικών ανιχνεύσεων και χωρικά διαχωρισμένου περιβάλλουσας υλικού, δείχνουν ότι η επεισοδιακή απώλεια μάζας μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την εξέλιξη των RSGs. Η κατανόηση της επεισοδιακής απώλειας μάζας είναι ζωτικής σημασίας για την αντιμετώπιση ενός συστατικού που λείπει τόσο από τις συνταγές απώλειας μάζας όσο και από τα εξελικτικά μοντέλα. Σε αυτή τη διατριβή, συνδυάζουμε μακροχρόνια φωτομετρία πολλαπλών μηκών κύματος και φασματοσκοπία πολλαπλών εποχών για να διερευνήσουμε την επεισοδιακή απώλεια μάζας σε ακραίους RSGs. Η πρώτη μας μελέτη επικεντρώνεται στον [W60] B90, ένα πολύ φωτεινό RSG στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου (LMC). Ανακαλύψαμε τρία γεγονότα εξασθένισης τα τελευταία 30 χρόνια, που επαναλαμβάνονται περίπου κάθε 12 χρόνια. Οι φασματοσκοπικές παρατηρήσεις κατά τη διάρκεια του πιο πρόσφατου συμβάντος αποκάλυψαν ατμοσφαιρικές ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες που παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια της «Μεγάλης εξασθένισης» του Betelgeuse, αποδεικνύοντας ότι ο [W60] B90 υφίσταται επαναλαμβανόμενη επεισοδιακή απώλεια μάζας. Ομοίως με τον Betelgeuse, ο [W60] B90 περιβάλλεται από κλονισμένο υλικό και μια μυστηριώδη νεφελώδη ράβδο σε απόσταση κλίμακας parsec. Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι ο [W60] B90 είναι ένα ογκώδες ανάλογο του Betelgeuse στο LMC, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για την επεισοδιακή απώλεια μάζας σε υποηλιακή μεταλλικότητα. Πραγματοποιήσαμε επίσης μια ολοκληρωμένη μελέτη του WOH G64, που θεωρείται από τη δεκαετία του 1980 το πιο ακραίο RSG στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, δεδομένου του εξαιρετικού μεγέθους του, του ρυθμού απώλειας μάζας και της εγγύτητας στο όριο Humphreys-Davidson. Ανακαλύψαμε μια απότομη αλλαγή το 2014 από τη μακροχρόνια φωτομετρία, παρά την απουσία έκρηξης. Η επακόλουθη φασματοσκοπία αποκάλυψε μια άνευ προηγουμένου μετάβαση, με τον WOH G64 να εμφανίζει πλέον φασματικά χαρακτηριστικά B[e]. Ανακαλύψαμε ότι ο WOH G64 έχει μεταβεί σε κίτρινο υπεργίγαντα και αποτελεί μέρος ενός μαζικού συμβιωτικού συστήματος με έναν συνοδό αστέρα B. Η καινοτομία αυτών των αποτελεσμάτων μας εμπόδισε να προσδιορίσουμε την αιτία της μετάβασης. Προτείναμε ότι μια σιωπηλή έκρηξη, δυαδικές αλληλεπιδράσεις ή μια φάση ανέμου πριν από τον υπερκαινοφανή οδήγησαν τη μετάβαση.Τέλος, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα της έρευνας των σκονισμένων, εξελιγμένων αστέρων μεγάλης μάζας στους κοντινούς γαλαξίες IC 10, IC 1613 και NGC 6822. Ανακαλύψαμε τέσσερις σκονισμένους RSGs τύπου Κ, οι οποίοι είναι ισχυροί υποψήφιοι για επεισοδιακή απώλεια μάζας. Επιπλέον, αναφέρουμε ένα σκοτεινό αντικείμενο, του οποίου οι φασματικές γραμμές εκπομπής υποδηλώνουν συνεχιζόμενη αυξημένη απώλεια μάζας, το οποίο έχει χρώμα G−[3.6] παρόμοιο με αυτό του WOH G64. Αυτές οι έρευνες παρέχουν μια κρίσιμη βάση για τον εντοπισμό υποψηφίων για περαιτέρω λεπτομερείς μελέτες, επιτρέποντάς μας να επιβεβαιώσουμε και να κατανοήσουμε καλύτερα τα επεισοδιακά γεγονότα απώλειας μάζας. Αυτή η διατριβή υπογραμμίζει τη σημασία των μακροπρόθεσμων μελετών μεταβλητότητας και των αρχειακών δεδομένων για την ανίχνευση επεισοδιακών γεγονότων απώλειας μάζας. Η σε βάθος ανάλυση συγκεκριμένων αντικειμένων αποδίδει σπουδαία γνώση των φυσικών διεργασιών που είναι ανεπαίσθητες κατά την εκτέλεση μεγάλων ερευνών. Τα ευρήματά μας αποκαλύπτουν ότι η επεισοδιακή απώλεια μάζας σε RSGs δεν είναι σπάνια, μπορεί να διαδραματίσει ρόλο στην αστρική εξέλιξη, συμβαίνει σε διαφορετικές μεταλλικότητες και εκδηλώνεται με διάφορους τρόπους, ιδίως ως γεγονότα εξασθένισης. Μελλοντικές μελέτες θα αποκαλύψουν αναμφίβολα τα βαθύτερα αίτιά τους και θα καθορίσουν τις συνθήκες υπό τις οποίες επηρεάζουν την αστρική εξέλιξη.