[論文レビュー] Ionization structure in the winds of B[e] supergiants II. Influence of rotation on the formation of equatorial hydrogen neutral zones

M. Kraus|ArXiv.org|May 5, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 22被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、B[e]超巨星における急速な回転が、星の赤道付近でのイオン化構造を変化させることで、水素中性領域の形成を促進する仕組みを調査している。赤道面に沿った1次元のイオン化平衡計算を、2次元の放射場モデルと組み合わせて行い、回転速度が臨界速度の80％を超えると、かつ質量放出率が5×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹を超えると、水素が星の表面付近で再結合することが判明した。これは、追加の密度増加要因を必要としない中性赤道円盤形成の有効なメカニズムを示している。

ABSTRACT

Context: B[e] supergiants are known to have non-spherical winds, and the existence of disks that are neutral in hydrogen close to their stellar surface has been postulated. A suitable mechanism to produce non-spherical winds seems to be rapid rotation, and at least for three B[e] supergiants in the Magellanic Clouds rotation velocities at a substantial fraction of their critical velocity have been found. Aims: We want to find suitable recombination distances in the equatorial plane of rapidly rotating stars that explain the observed huge amounts of neutral material in the vicinity of B[e] supergiants. Methods: We perform ionization structure calculations in the equatorial plane around rapidly rotating luminous supergiants. The restriction to the equatorial plane allows us to treat the ionization balance equations 1-dimensionally, while the stellar radiation field is calculated 2-dimensionally, taking into account the latitudinal variation of the stellar surface parameters. The stellar parameters used correspond to those known for B[e] supergiants. The assumptions made in the computations all have in common that the total number of available ionizing photons at any location within the equatorial plane is overestimated, resulting in upper limits for the recombination distances. Results: We find that despite the drop in equatorial surface density of rapidly rotating stars (neglecting effects like bi-stability and/or wind compression), hydrogen and helium recombine at or close to the stellar surface, for mass loss rates Mdot > 5d-5 M_sun/yr and rotation speeds in excess of v(rot,eq)/v(crit)=0.8.

研究の動機と目的

• B[e]超巨星における急速な回転が、星の表面に近い位置に水素中性領域を自然に生成できるかどうかを特定すること。
• 回転が赤道風平面におけるイオン化構造に与える影響、特に再結合距離に及ぼす影響を評価すること。
• 観測されたB[e]超巨星の質量放出率と回転速度が、赤道領域における中性水素を維持するのに十分かどうかを評価すること。
• イオン化光子の利用可能性を過大評価する保守的仮定のもとで、中性円盤形成の頑健性を検証すること。

提案手法

• 球対称の放射場を仮定するが、緯度依存の星のパラメータを用いて、赤道面に沿った1次元のイオン化平衡方程式を解く。
• 重力減光と有効温度・表面重力の緯度依存変化を考慮して、2次元での星の放射場を計算する。
• B[e]超巨星に典型的な星のパラメータ（光度、半径、風の性質）を用いる。
• 二重安定性や風圧縮による初期の密度増加なしに、純粋な水素ヘリウム風を仮定する。
• 各位置での利用可能なイオン化光子数を過大評価して、再結合距離の上限を計算する。
• 再結合距離を回転速度（v_rot/v_crit）と質量フラックス（F_m,pole）の関数として評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B[e]超巨星における急速な回転は、赤道面で星の表面付近で水素の再結合を引き起こすことができるか？
• RQ2 星に近い位置に中性水素が形成されるために、最小でどの程度の質量放出率と回転速度が必要か？
• RQ3 重力減光とそれによる有効温度の緯度依存変化が、赤道風におけるイオン化バランスにどのように影響するか？
• RQ4 イオン化光子の利用可能性を過大評価する保守的仮定が、予測された再結合距離にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 観測されたB[e]超巨星の質量放出率と回転速度の範囲が、周囲円盤に中性物質が存在することを説明するのに十分か？

主な発見

• 急速に回転するB[e]超巨星では、赤道面で星の表面付近、あるいはその直近で水素が再結合する。これは、回転による表面密度の低下があっても成立する。
• 回転速度が臨界速度の80％を超える（v_rot/v_crit ≥ 0.8）と、極方向の質量フラックスが1.5×10⁻⁵ g s⁻¹ cm⁻²を超えると、水素は星の表面付近で再結合する。
• これは、少なくとも5×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹の質量放出率に対応し、観測範囲（10⁻⁵から10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹）に含まれる。
• イオン化光子の利用可能性を過大評価すると再結合距離がより大きな半径に押し出されるため、実際の再結合距離はさらに星に近くなると予想される。
• 結果として、二重安定性や風圧縮といった追加のメカニズムを必要とせず、回転そのものだけでB[e]超巨星の赤道領域に中性物質が形成されることを示唆している。
• これらの発見は、B[e]超巨星の周囲円盤に観測された中性水素領域を説明するために、回転が十分なメカニズムであるという考えを支持している。