[論文レビュー] Mass loss from inhomogeneous hot star winds I. Resonance line formation in 2D models

J. O. Sundqvist, J. Puls+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用数 72

ひとこと要約

本研究は、確率的および放射線流体力学的モデルを用いて2次元非均一な高温星の風における共鳴線形成を調査し、非単調な速度場と非空洞の間クラウド媒体が正確な線プロファイルを再現するために不可欠であることを明らかにした。非均一モデルにおける共鳴線から導かれる質量放出率は、標準的な光学的薄いクラウディング仮定よりも最大10倍高いことが判明し、UV共鳴線とHα・電波診断法の間の矛盾を解消した。

ABSTRACT

Small-scale clumping in the winds of hot, massive stars is conventionally included in spectral analyses by assuming optically thin clumps, a void inter-clump medium, and a smooth velocity field. To reconcile investigations of different diagnostics within such models, a highly clumped wind with very low mass-loss rates needs to be invoked. Particularly, unsaturated UV resonance lines seem to indicate rates an order of magnitude (or even more) lower than previously accepted values. We investigate resonance line formation in inhomogeneous hot star winds with non-monotonic velocity fields by means of 2D stochastic and pseudo-2D radiation-hydrodynamic wind models. A Monte-Carlo radiative transfer code is presented and used to produce synthetic line spectra. Results: The optically thin clumping limit is only valid for very weak lines. For intermediate strong lines, the velocity spans of the clumps are of central importance. Current hydrodynamical models predict spans that are too large to reproduce observed profiles unless a very low mass-loss rate is invoked. By simulating lower spans in 2D stochastic models, the profile strengths become drastically reduced, and are consistent with higher mass-loss rates. To simultaneously meet the constraints from strong lines, the inter-clump medium must be non-void. A first comparison to the observed PV doublet in the O6 supergiant lam Cep confirms that a stochastic 2D model reproduces observations with a mass-loss rate roughly ten times higher than that derived from the same lines but assuming optically thin clumping. Tentatively this may resolve discrepancies between theoretical predictions, evolutionary constraints, and recent derived mass-loss rates, and suggests a re-investigation of the structure predicted by current hydrodynamical models.

研究の動機と目的

• 高温の大質量星において、UV共鳴線（例：P V）から導かれる質量放出率とHα／電波診断法から導かれる値との間にある長年の矛盾を解消すること。
• 微小スケールの非均一性、非単調な速度場、および非空洞の間クラウド媒体が2次元風モデルにおける共鳴線形成に与える影響を調査すること。
• 現在の放射線流体力学的風モデルが、人工的な「ミクロ乱流」を仮定せずに観測された線プロファイルを再現できるかどうかを検証すること。
• 合成スペクトルを2次元確率的および擬2次元モデルを用いて観測と比較することで、光学的薄いクラウディング近似が質量放出率を過小評価しているかどうかを評価すること。
• 放射線流体力学的モデルにおけるクラウドの速度スパンが、特に中程度強度の線に対して観測された線強度と整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• 非一様な密度および速度構造を再現するため、径方向に独立したスライスに1次元スナップショットを組み合わせることで、2次元確率的および擬2次元放射線流体力学的風モデルを構築した。
• 軸対称な球状風において、Sobolev近似を用いない、3次元モンテカルロ放射線輸送コードを開発・適用し、共鳴線形成を扱った。
• クラウド構造におけるポーラリティおよびボロシティを考慮し、共鳴領域からの光子脱出を定量化するためのキーパrameterとして「有効脱出比」を導入した。
• 光学的薄いクラウド、空洞の間クラウド媒体（ICM）、非単調な速度場という異なる仮定の下で、UV共鳴線（例：P V）の合成線プロファイルをシミュレートした。
• λ CepのO6超巨星における観測されたP V二重線プロファイルとモデル予測を比較し、質量放出率の補正を行った。
• 間クラウド媒体（ICM）のポーラリティおよびクラウド速度スパンが、特に中程度強度の線の飽和度とプロファイル強度に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非単調な速度場と非空洞の間クラウド媒体は、非均一な高温星風における共鳴線形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 現在の放射線流体力学的モデルは、人工的なミクロ乱流を必要とせずに、観測されたUV共鳴線プロファイルをどの程度再現できるか？
• RQ3 なぜ標準的モデルでは、Hαおよび電波診断法と比較して、共鳴線から導かれる質量放出率が1桁低いとされるのか？
• RQ4 現実の速度スパンと非空洞ICMを有する2次元確率的モデルは、中程度強度の線の飽和を避けて観測された線強度を再現できるか？
• RQ5 クラウドの速度スパンとICMを含む完全な非均一風構造を考慮した場合、共鳴線が示唆する真の質量放出率は何か？

主な発見

• 強い共鳴線に対しては、光学的薄いクラウディング極限は不適切であり、複雑な密度および速度構造のため、弱い線ですら顕著な飽和を示す。
• 非単調な速度場と非空洞の間クラウド媒体は、観測された線プロファイルを再現するために不可欠であり、空洞ICMでは物理的に不自然に強くまたは飽和した線が生じる。
• 放射線流体力学的モデルは、超音速のミクロ乱流を仮定せずとも、強力な線特徴（例：黒い溝）を自然に再現でき、物理的妥当性を確認した。
• 現在の放射線流体力学的モデルにおけるクラウド速度スパンは、非常に低い質量放出率を仮定しない限り、観測された中程度強度の線プロファイルを再現できない。
• 2次元確率的モデルで速度スパンを短縮すると、線強度が顕著に低下し、その結果、光学的薄いクラウディング仮定に基づく値よりも質量放出率を最大10倍まで高められる。
• λ CepにおけるP V二重線への最初の比較では、非空洞ICMおよび現実的な速度スパンを有する2次元確率的モデルが、標準的な光学的薄いクラウディングモデルよりも約10倍高い質量放出率で観測を再現できた。