[論文レビュー] Model Atmospheres From Very Low Mass Stars to Brown Dwarfs

F. Allard, D. Homeier+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2010

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 74

ひとこと要約

本稿では、放射線流体力学、実際の太陽系組成（Asplund et al. 2009）、および過飽和、凝縮、沈降、拡散混合を考慮した動的雲モデルを統合したBT-Settlモデル大気グリッドを提示する。このグリッドは、非常に低質量星から褐色矮星まで（Teff = 400–100,000 K）の大気を正確に再現することを目的としている。主な結果として、星間・準星境界を滑らかにかつ物理的に整合性を保った形でつなぐことができ、GJ 866 やVB10 などのVLMの合成スペクトルと観測されたSEDとの間でほぼ完璧な一致が達成された。

ABSTRACT

Since the discovery of brown dwarfs in 1994, and the discovery of dust cloud formation in the latest Very Low Mass Stars (VLMs) and Brown Dwarfs (BDs) in 1996, the most important challenge in modeling their atmospheres as become the understanding of cloud formation and advective mixing. For this purpose, we have developed radiation hydrodynamic 2D model atmosphere simulations to study the formation of forsterite dust in presence of advection, condensation, and sedimentation across the M-L-T VLMs to BDs sequence (Teff = 2800 K to 900 K, Freytag et al. 2010). We discovered the formation of gravity waves as a driving mechanism for the formation of clouds in these atmospheres, and derived a rule for the velocity field versus atmospheric depth and Teff , which is relatively insensitive to gravity. This rule has been used in the construction of the new model atmosphere grid, BT-Settl, to determine the microturbulence velocity, the diffusion coefficient, and the advective mixing of molecules as a function of depth. This new model grid of atmospheres and synthetic spectra has beencomputedfor100,000K>Teff >400K,5.5>logg>-0.5,and[M/H]=+0.5to -1.5, and the reference solar abundances of Asplund et al. (2009). We found that the new solar abundances allow an improved (close to perfect) reproduction of the photo- metric and spectroscopic VLMs properties, and, for the first time, a smooth transition between stellar and substellar regimes -- unlike the transition between the NextGen models from Hauschildt et al. 1999a,b, and the AMES-Dusty models from Allard et al. 2001). In the BDs regime, the BT-Settl models propose an improved explanation for the M-L-T spectral transition. In this paper, we therefore present the new BT-Settl model atmosphere grid, which explains the entire transition from the stellar to planetary mass regimes.

研究の動機と目的

• 非常に低質量星から褐色矮星への全範囲をカバーする統一的なモデル大気グリッドの開発を目的とし、従来の星間モデルと準星モデルの間の連続性の欠如を解消すること。
• 更新された水蒸気吸収係数プロファイルと再検討された太陽組成を組み込むことで、合成スペクトルにおける長年のKバンド過大吸収問題を解消し、正確な輝度再現を実現すること。
• 放射線流体力学、重力波、拡散混合効果を組み込むことで、雲形成と大気力学を現実的にモデル化すること。
• 過飽和、凝縮、沈降の物理を大気構造に統合することで、VLMおよび褐色矮星の高精度なスペクトル合成を可能とすること。

提案手法

• 2次元放射線流体力学（RHD）シミュレーションを用い、重力波および対流運動を含む大気力学を、有効温度範囲（2800–900 K）でモデル化した。
• BT2水蒸気吸収係数ラインリスト（Barber et al. 2006）と、Asplund et al.（2009）による更新された太陽組成を採用し、従来モデルと比較して酸素含有量を0.3 dex低減した。
• Rossow（1978）の凝縮および沈降時間スケールに基づく雲モデルを構築し、平衡化学の事前テーブル化から得られる過飽和圧を用いて、正確なチリ形成を保証した。
• 雲および化学モデルを層ごとに内側に向かって逐次的に解き、大気冷却に伴う結晶種（例：オルソフェライト）の順次形成を模擬した。
• RHDシミュレーションから得た速度場を用いて、微乱流、拡散係数、拡散混合をキャリブレーションした。この速度場は重力にほとんど依存しないことが判明した。
• Phoenix大気コードを用い、完全な非灰色放射移動を考慮して、Teff = 400–100,000 K、logg = -0.5 から 5.5、[M/H] = -1.5 から +0.5 の範囲でBT-Settlモデルグリッドを生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてモデル大気が非常に低質量星と褐色矮星の間の物理的に整合性のある過渡的遷移を実現できるか？
• RQ2 重力波および拡散混合が、冷却され、ほこりが多い大気において雲形成と大気構造に果たす役割は何か？
• RQ3 更新された太陽組成（Asplund et al. 2009）は、VLMの観測スペクトルエネルギー分布（SED）の再現性をどの程度向上させるか？
• RQ4 なぜ従来のモデル（例：NextGen や AMES-Dusty）はKバンドの輝度を再現できず、M-L-T系列に不連続性を示すのか？
• RQ5 過飽和および沈降を組み込んだ動的雲モデルは、L型およびT型褐色矮星の観測色およびスペクトル特徴をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• BT-Settlモデルは、M6型矮星GJ 866の近赤外〜可視域における観測SEDとほぼ完璧に一致し、特に0.99 μm付近のFeH Wing-Fordバンドで顕著な一致を示した。
• 更新された太陽組成（Asplund et al. 2009）により酸素含有量が0.3 dex低減され、長年のKバンド過大吸収問題が解消され、正確な輝度再現が可能になった。
• 2次元RHDシミュレーションで同定された重力波は、不均一な雲層の形成を引き起こし、その結果得られた速度場を用いて、モデルグリッドにおける微乱流および拡散混合をパラメータ化した。
• モデルはM-L-Tスペクトル遷移を成功裏に再現し、ほこりを含むM型矮星から澄んだT型矮星への滑らかな進化を示した。特に、遅いL型およびT型領域では、雲の沈降と非平衡化学のずれにより、色が青くなる傾向が観察された。
• 初めてとして、VLMおよび褐色矮星の合成スペクトルが、VB10の赤外スペクトルを含め、輝度補正なしに観測SEDと一致した。これは、更新された吸収係数および組成処理の堅牢性を示している。
• BT-Settlグリッドは、100,000 Kから400 Kまで連続的かつ物理的に根拠のあるモデル系列を提供し、星間と準星領域の間の不連続性がなく、従来のモデルセットとは対照的である。