[論文レビュー] Atmospheric NLTE models for the spectroscopic analysis of blue stars with winds. V. Complete comoving frame transfer, and updated modeling of X-ray emission

J. Puls, F. Najarro+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、質量の大きな青い星の風を伴うスペクトル合成を改善した、fastwindコード（v11）の更新版を提示する。完全な共動フレーム放射移動を実装し、cmfgenとの間に優れた一致を達成しており、深さに依存する衝撃埋め込み率因子を用いてX線放射のスケーリング則を確認した。また、原子データと線の重なりによるFe iv線効果やN v線の不一致を浮き彫りにした。

ABSTRACT

Context. Obtaining precise stellar and wind properties and abundance patterns of massive stars is crucial to understanding their nature and interactions with their environments, as well as to constrain their evolutionary paths and end-products. Aims. To enable higher versatility and precision of the complete UV to optical range, we improve our NLTE atmosphere and spectrum synthesis code FASTWIND. We also aim to obtain an advanced description of X-ray emission from wind-embedded shocks. Methods. We include a detailed comoving frame radiative transfer for the essential frequency range, but still apply methods that enable low turnaround times. Results. In most cases, our new results agree excellently with those from the alternative code CMFGEN, both regarding the total radiative acceleration, strategic optical lines, and the UV-range. The agreement regarding NIII4634-4640-4642 has improved, though there are still certain discrepancies, mostly related to line overlap effects in the extreme ultraviolet. In the UV range of our coolest models, we find differences in the predicted depression of the pseudo-continuum, most pronounced around Ly_alpha. The comparison between our new and previous FASTWIND version reveals an almost perfect agreement, except for NV 4603-4619. Using an improved, depth-dependent description for the filling factors of hot, X-ray emitting material, we confirm previous analytic scaling relations with our numerical models. Conclusions. We warn against uncritically relying on transitions, which are strongly affected by direct or indirect line-overlap effects. The predicted UV-continuum depression for the coolest grid-models needs to be checked, both observationally, and regarding the underlying atomic data. Wind lines from "super-ionized" ions such as OVI can, in principle, be used to constrain the distribution of wind-embedded shocks.

研究の動機と目的

• 放射駆動風を伴う質量の大きな青星のスペクトル解析のためのfastwindコードの精度と汎用性を向上させること。
• 特にFe iv線効果およびN vとHe iiの特徴における線の重なりに関する、UVおよび光学域のスペクトル合成における不一致を解消すること。
• 風に埋め込まれた衝撃からのX線放射モデリングを、深さに依存する埋め込み率因子を導入することで統一し、過去に矛盾していた結果を解消すること。
• X線放射のスケーリング則が、cmfgenという代替コードおよびOwockiら（2013）の解析的式と一致するかを検証すること。
• 次世代の望遠鏡に備えるために、近赤外域への波長範囲の拡張およびFeとNiの原子データの改善を実施すること。

提案手法

• 移動する拡張する星風における周波数再分配を正確にモデル化するため、完全な共動フレーム放射移動を実装すること。
• 最適化された数値性能を備えた統一されたNLTE大気およびスペクトル合成アプローチを用い、低遅延時間の維持を図ること。
• Owockiら（2013）が導出した深さに依存するX線埋め込み率因子を適用し、風に埋め込まれた構造における衝撃放射をモデリングすること。
• 結果をcmfgenコードおよび以前のfastwindバージョンと比較し、一貫性を評価するとともに、不一致を同定すること。
• 特にFe ivに注目し、UV帯域における疑似連続スペクトルの低下に与える原子データの影響をテストすること。
• 数値シミュレーションを用いて、Owockiら（2013）の解析的式に基づくX線放射のスケーリング則を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 fastwind v11に完全な共動フレーム移動を組み込むことで、cmfgenおよび以前のfastwindバージョンと比較して合成スペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ2 観測されたN vおよびHe ii線の不一致の原因は何か？また、それらは原子データと線の重なり効果とどのように関係しているか？
• RQ3 Lyα周辺の予測されるUV疑似連続スペクトルの低下が著しく異なるのはなぜか？Fe ivデータはその中でどのような役割を果たすか？
• RQ4 深さに依存するX線埋め込み率因子は、Feldmeierら（1997）とOwockiら（2013）の間で長年存在したX線放射に関する矛盾を解消できるか？
• RQ5 超イオン化されたO vi共鳴線は、質量の大きな星における風に埋め込まれた衝撃の分布をどの程度制限できるか？

主な発見

• 新規fastwind v11の結果は、全放射加速度、戦略的光学線、およびUV帯域においてcmfgenと優れた一致を示したが、He ii λλ 4200–4541およびN v λλ 4603–4619には中程度の差異が認められた。
• N iii λλ 4634–4640–4642についての一致は向上したが、極端なUV帯域における線の重なり効果により、元素比やマイクロ乱流に依存して不一致が依然として存在する。
• 特にLyα周辺に顕著なUV疑似連続スペクトルの低下が、cmfgenではfastwindよりも強く予測される。これは主にFe iv原子データの差異に起因する。
• 新規と旧fastwindバージョンの比較では、N v λλ 4603–4619を除き、ほぼ完全な一致が得られ、更新されたコードの堅牢性を確認した。
• 深さに依存するX線埋め込み率因子の導入により、X線放射モデリングが統一され、Owockiら（2013）の解析的スケーリング則が確認された。
• 超イオン化されたO vi共鳴線は、クラスタ間媒体の意味のある記述が可能であれば、衝撃分布の診断に有用である可能性を示した。