A Spectroscopic Study of Massive Stripped-envelope Stars and Its Applications to Space Telescope Observations = 무거운 외피 소실 별의 분광학적 연구와 우주망원경 관측에의 활용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Massive stars, despite their small fraction among stellar populations, significantly influence cosmic evolution through intense radiation, powerful stellar winds, and explosive deaths. In particular, understanding massive stripped-envelope stars, that have lost their hydrogen-rich envelopes via strong winds and/or binary interactions, is crucial, as they play a key role in advancing our knowledge of stellar evolution theory, chemical enrichment processes, and stellar physics including stellar winds and binary interactions. However, the late-stage evolution of massive stars remains challenging due to complex theoretical issues, including rapid rotation, intricate nuclear burning processes, and complicated internal structures. Observationally, studies of these stars are limited by their rarity, short lifetimes, and dust extinction within star-forming regions. Increasing the known population of these stars can provide strict constraints on theoretical models, thereby enhancing our understanding of massive star evolution.

In this thesis, we investigate the spectroscopic properties and observational signatures of massive stripped-envelope stars, aiming to broaden their detectability and improve their classification and characterization using multi-wavelength observations. By combining theoretical modeling with observational strategies optimized for current and future space telescopes, this study aims to significantly improve our ability to detect Type Ib/Ic supernova (SN Ib/Ic) progenitors and hidden populations of Wolf-Rayet (WR) stars.

First, we investigate how stellar winds affect the optical properties of SN Ib/Ic progenitors using detailed non-LTE atmospheric models computed with CMFGEN. Synthetic spectra of progenitors with various wind parameters show that dense stellar winds substantially influence their optical brightness and colors. Specifically, SN Ic progenitor models exhibit optical luminosities several magnitudes brighter than those predicted by simple blackbody spectra due to strong emission lines and free-free continuum excess. Additionally, we confirm that typical exposure times of Hubble archive images are insufficient to directly identify SN Ib/Ic progenitors. Only particularly bright progenitors or their candidates, such as those of iPTF13bvn and SN 2019yvr, could be successfully identified, which can be reproduced by models with exceptionally strong wind mass-loss rates or with massive companions.

Next, we extend our analysis to near-infrared (near-IR) wavelengths, assessing the potential of future observations by the James Webb Space Telescope (JWST) and the Nancy Grace Roman Space Telescope (NGRST). Near-IR wavelengths offer observational advantages in directly detecting SN Ib/Ic progenitors, as they are less affected by strong dust extinction typical of their environments. Our study indicates that JWST and NGRST significantly enhance the detectability of obscured SN Ib/Ic progenitors compared to the Hubble Space Telescope (HST). Additionally, we demonstrate that near-IR photometry can effectively differentiate progenitors from other stellar populations because of the distinctive infrared excesses from dense winds.

Finally, we shift our focus to the Galactic population of Wolf-Rayet stars and evaluate the feasibility of a comprehensive all-sky survey with the ongoing SPHEREx mission. Simulated SPHEREx spectra generated from Potsdam Wolf-Rayet models reveal distinct spectral features that clearly distinguish WR stars and their subtypes, even at SPHEREx's modest spectral resolution. We further develop criteria to effectively distinguish WR stars from other emission-line objects such as planetary nebulae, Be stars, and cataclysmic variables. Our simulations predict that SPHEREx will uncover roughly more than 200-300 previously unidentified Galactic WR stars, greatly enhancing our census of these critical evolutionary endpoints.

In summary, this dissertation integrates theoretical modeling with observational methods, setting the stage for more effective identification and detailed characterization of massive stripped-envelope stars. These advances will guide future observational efforts aimed at identifying elusive SN Ib/Ic progenitors and previously hidden WR stars, thereby enriching our understanding of stellar evolution.

국문 초록 (Abstract)

무거운 별은 전체 항성 개체군에서 차지하는 비율은 작지만 강한 복사와 항성풍, 격렬한 죽음 등을 통해 우주의 진화에 큰 영향을 미친다. 특히, 강한 항성풍이나 쌍성 간 상호작용을 통해 수소가 풍부한 외피를 잃어버린 무거운 외피 소실 별은 항성 진화 이론과 화학적 진화 과정, 그리고 항성풍과 쌍성 상호작용을 포함한 항성 물리를 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 하지만 무거운 별의 진화 후기 단계에 대한 연구는 빠른 자전, 복잡한 내부 구조 및 핵 연소 과정 등을 올바로 기술하는데 있어서 이론적인 어려움을 겪고 있다. 관측적으로는, 희소성과 짧은 수명, 그리고 먼지가 많은 별 생성 지역에서의 소광 효과로 인해 이들의 연구가 제한적이다. 따라서 이 별들의 관측적 사례를 늘리는 것은 이론적 모델에 대한 엄밀한 제약을 제공하여 무거운 별의 진화에 대한 이해를 증진시킬 것이다.

본 연구에서는 무거운 외피 소실 별의 분광학적 특성과 관측 가능성을 조사하여, 다중 파장 관측을 통해 이들의 발견, 분류 및 분석 성능을 향상시키고자 하였다. 이론적 모델링과 현재와 미래의 우주망원경을 위한 최적화된 관측 전략을 결합하여, 제 Ib/Ic형 초신성의 원형별과 은하 내 숨겨진 울프-레이에 별의 탐지 능력을 크게 높이는 것을 목표로 한다.

먼저, CMFGEN을 이용한 비-국소 열역학적 평형 대기 모델을 통해 항성풍이 제 Ib/Ic형 초신성 원형별의 광학적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 다양한 항성풍 조건에서 얻어진 합성 스펙트럼은 밀도가 높은 항성풍이 전구체의 광학적 밝기와 색상에 큰 영향을 미친다는 것을 보였다. 특히 제 Ic형 초신성 원형별 모형의 경우, 강한 방출선과 자유-자유 연속선으로 인해 단순 흑체 스펙트럼보다 광학 밝기가 수 등급 증가했다. 또한, 제 Ib/Ic형 초신성의 원형별 폭발 이전 허블 아카이브 이미지의 전형적인 노출 시간이 원형별을 직접 발견하기에 충분하지 않다는 것을 확인했다. iPTF13bvn 및 SN 2019yvr과 같이 특히 밝은 원형별이나 원형별 후보천체만이 성공적으로 확인되었으며 예외적으로 강한 항성풍을 갖거나 무거운 동반성을 가정한 모델로만 설명할 수 있었다.

다음으로, 제임스 웹 우주망원경와 낸시 그레이스 로만 우주망원경의 관측 능력을 평가하기 위해 근적외선 영역으로 연구를 확장하였다. 근적외선 파장대역은 제 Ib/Ic형 초신성 환경에서 흔한 먼지 소광 효과에 영향을 적게 받는다는 관측상의 장점이 있다. 이번 연구는 소광이 심한 제 Ib/Ic쳥 초신성 원형별의 탐지에 있어서 제임스 웹 우주망원경과 낸시 그레이스 로만 우주망원경이 허블 우주망원경에 비해 상당히 나은 능력을 갖는 것을 보였다. 또한, 항성풍으로 인한 근적외선 초과 방출로 인해서 근적외선 관측이 원형별을 다른 별 집단과 구분하는데 유용함을 확인하였다.

마지막으로, 진행 중인 스피어엑스 미션을 통한 우리 은하 울프-레이에 별들의 포괄적 전천 탐사 가능성을 평가하였다. 포츠담 울프-레이에 항성대기 모델로 생성한 모의 스피어엑스 스펙트럼은 낮은 수준의 분광 해상도로도 울프-레이에 별의 다양한 유형에 따른 분광학적 특징을 보였다. 우리는 더 나아가 울프-레이에 별을 행성상 성운, Be 별, 격변 변광성과 같은 방출 선을 갖는 천체들과 효과적으로 구별하는 기준을 제시하였다. 이 연구에 따르면 스피어엑스가 약 200-300개 이상의 알려지지 않은 우리 은하 울프-레이에 별들을 찾을 것으로 예상되며 무거운 별 진화이 마지막 단계에 있는 외피 손실 별의 샘플 수를 크게 늘릴 것으로 기대된다.

요약하면, 본 학위 논문은 이론적 모형과 관측 방법을 통합하여, 무거운 외피 소실 별 탐색과 특성화를 위한 기반을 제공한다. 이러한 발전은 향후 제 Ib/Ic형 초신성 원형별과 숨겨진 WR 별 탐색 연구에 크게 기여하여 항성 진화에 대한 우리의 이해를 증진시킬 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Galactic Wolf–Rayet (WR) Stars 2
• 1.1.1 Formation Scenario 2
• 1.1.2 Wind and Spectral Properties 5
• 1.1.3 WR Subtypes and Observed Properties 9
• 1.1.4 Galactic WR Surveys 13
• 1.1.5 Galactic WR Population Study and Implications for IR Surveys 16
• 1.2 Progenitors of Type Ib/Ic Supernovae (SNe Ib/Ic) 19
• 1.2.1 Formation Scenario 19
• 1.2.2 Direct Detection of SN Ib/Ic progenitors 20
• 1.2.3 Physical and Observational Properties of Binary Stripped Progenitor Models 21
• 1.3 Research Purpose and Thesis Outline 23
• 2 Effects ofWinds on the Optical Properties of Type Ib and Ic Supernova Progenitors 25
• 2.1 Introduction 25
• 2.2 Models and Physical Assumptions 27
• 2.2.1 Input Progenitor Models 27
• 2.2.2 Atmospheric Modeling 32
• 2.3 Results of the Atmospheric Models 34
• 2.3.1 The Fiducial Models 34
• 2.3.2 Effects of the Mass-loss Rate and theWind Terminal Velocity 42
• 2.3.3 Comparison with the Analytic Prediction 45
• 2.4 Implications for Supernova Progenitors 46
• 2.4.1 Comparison with the Detection Limits of Pre-explosion Images 46
• 2.4.2 Comparison with the Progenitor Candidate of SN Ib iPTF13bvn 51
• 2.4.3 Comparison with the Progenitor Candidate of SN Ib 2019yvr 53
• 2.4.4 Comparison with the Progenitor Candidate of SN Ic 2017ein 56
• 2.5 Conclusions 58
• 2.6 Appendices 61
• 2.6.A Appendix A : Optical Magnitudes of SN Ib/Ic Progenitors with Various Mass-loss Rates 61
• 2.6.B Appendix B : Normalized Optical Spectra of Fiducial Models 65
• 2.6.C Appendix C : Change of Spectra according toVarious Massloss Rates 67
• 3 Near-infrared Spectral Properties of Type Ib/Ic Supernova Progenitors
• and Implications for JWST and NGRST Observations 72
• 3.1 Introduction 72
• 3.2 Models 75
• 3.2.1 Input Progenitor Models 75
• 3.2.2 Atmospheric Modeling 77
• 3.3 Results of Atmospheric Models 79
• 3.3.1 Effects of Winds on the SN Ib/Ic Progenitor Spectra 79
• 3.3.2 Effects of the Mass-loss Rates 84
• 3.4 Detectability of SN Ib/Ic Progenitors with JWST and NGRST 86
• 3.4.1 Comparison of HST, JWST, and NGRST 86
• 3.4.2 Effect of Extinction on Near-IR Detection 94
• 3.5 Advantages of Near-IR Observation for SN Ib/Ic Progenitor Study 100
• 3.5.1 Constraint on the Mass-loss Rate of SN Ib/Ic Progenitors 100
• 3.5.2 Distinction between SN Ib/Ic Progenitors and Companion/background Stars 103
• 3.6 Conclusions 107
• 3.7 Appendices 108
• 3.7.A Appendix A : Optical and Near-IR Magnitudes of SN Ib/Ic Progenitors with Various Mass-loss Rates 108
• 3.7.B Appendix B : Color-color Diagrams of SN Ib/Ic Progenitors in HST, JWST, and NGRST Filters 111
• 4 Spectroscopic Survey of Wolf-Rayet Stars with SPHEREx 118
• 4.1 Introduction 118
• 4.2 Models and Methods for SPHEREx Spectrum Simulation 120
• 4.2.1 Potsdam WR (PoWR) Model Grid 120
• 4.2.2 SPHEREx Sky Simulator 123
• 4.3 Spectral Signatures of WR stars in SPHEREx 124
• 4.3.1 Examples of Simulated SPHEREx Spectra 124
• 4.3.2 Key Emission Lines for WR Identification and Classification 127
• 4.3.3 Spectral Features of Other Line-emission Sources: PNe, Be and CV Stars 133
• 4.4 Identification and Classification Criteria for WR stars 140
• 4.4.1 Identification of WR candidates using SPHEREx and Catalog Data 142
• 4.4.2 Subtype Classification of Wolf-Rayet Stars 144
• 4.5 Predicted Number of Galactic WR stars Identifiable with SPHEREx 150
• 4.5.1 Total Galactic WR Population 150
• 4.5.2 Predicted Number of WR stars Identifiable with SPHEREx 162
• 4.6 Preliminarily Conclusion and Future Works 166
• 4.6.1 Summary 166
• 4.6.2 Future works 167
• 4.7 Appendices 168
• 4.7.A Appendix A. CLOUDY Model Spectra for Planetary Nebulae 168
• 4.7.B Appendix B. WR, PN, Be and CV Spectra Observed with ISO-SWS 170
• 4.7.C Appendix C. List of Dusty or Companion-dominated Galactic WR Systems 177
• 5 Concluding Remarks 180
• 5.1 Summary 180
• 5.2 Future Works 183
• Bibliography 185
• 한국어 초록 204
• 감사의 글 206