[論文レビュー] NLTE models of line-driven stellar winds I. Method of calculation and first results for O stars

Jiřı́ Krtička, J. Kubát|ArXiv.org|Jan 12, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 66被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、後期O型星における線駆動風のための新しい非局所熱力学平衡（NLTE）モデリング手法を提示する。主な要素の統計平衡方程式を解くことで、一貫した放射力と加熱を計算する。これにより、長年の予測値と観測値の差異である終端速度の不一致が解消され、Cyg OB2超巨星の観測された風の運動量-光度関係とも良好に一致することが確認された。

ABSTRACT

New numerical models of line-driven stellar winds of late O stars are presented. Statistical equilibrium (NLTE) equations of the most abundant elements are solved. Properly obtained occupation numbers are used to calculate consistent radiative force and radiative heating terms. Wind density, velocity and temperature are calculated as a solution of model hydrodynamical equations. Contrary to other published models we account for a multicomponent wind nature and do not simplify the calculation of the radiative force (e.g. using force multipliers). We discuss the convergence behaviour of our models. The ability of our models to predict correct values of mass-loss rates and terminal velocities of selected late O stars (mainly giants and supergiants) is demonstrated. The systematic difference between predicted and observed terminal velocities reported in the literature has been removed. Moreover, we found good agreement between the theoretical wind momentum-luminosity relationship and the observed one for Cyg OB2 supergiants.

研究の動機と目的

• 後期O型星における線駆動風の自己整合的NLTEモデルを構築し、風の多次元的性質を考慮する。
• 従来のモデルで用いられる力乗数や温度依存性のない放射力といった簡略化仮定を排除する。
• 結合されたNLTEおよび流体力学的方程式を解くことで、質量放出率および終端速度の予測精度を向上させる。
• 温度分布と放射力の一貫した取り扱いを保証することで、星風モデルにおける持続的な運動量問題を解決する。
• 観測結果、特にCyg OB2超巨星に対して風の運動量-光度関係を検証する。

提案手法

• 非局所熱力学平衡（NLTE）における主要元素（H, He, C, N, O, Fe）の統計平衡方程式を解き、正確な占有数を決定する。
• 計算された占有数を用いて、力乗数や簡易近似に依存せずに、一貫した放射力および加熱項を計算する。
• 風構造（密度、速度、温度）の流体力学的方程式を自己整合的に解く。
• 風の多次元的性質、特にC, N, O, Feなどの微量元素が放射加速度および熱的構造に与える影響を考慮する。
• 放射力の風温度、電子密度、径方向速度、線吸収率への完全な依存性を、源関数の導関数を厳密に導出することで組み込む。
• 有限差分法を用いて、結合されたNLTEおよび流体力学的方程式系を解き、収束性に注意を払う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力乗数を避けて温度依存性を単純化した自己整合的NLTEモデルは、後期O型星の観測された終端速度を再現できるか？
• RQ2 風の多次元的性質（H, He, C, N, O, Fe）が、低密度O型星風における放射力および温度構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 完全なNLTE効果を組み込むことで、観測された風の運動量-光度関係との一致がどの程度向上するか？
• RQ4 過去のモデルがなぜ系統的に終端速度を過大予測していたのか、放射力および温度構造の改善によって解消できるか？
• RQ5 経験的補正に依存せずに、O型超巨星の質量放出率および終端速度を正確に予測できるか？

主な発見

• 本モデルは、過去のモデルで長年持続していた後期O型星における予測値と観測値の終端速度の系統的不一致を明確に解消した。
• Cyg OB2超巨星の理論的風の運動量-光度関係と観測結果との間に良好な一致が得られ、モデルの予測能力が裏付けられた。
• C, N, O, Feの線の影響を含む多次元風効果の組み込みが、温度構造および放射加速度の両方に顕著な影響を与えることが判明し、完全なNLTE取り扱いの必要性が裏付けられた。
• 特に結合されたNLTEおよび流体力学的方程式の取り扱いにおいて、従来の手法と比較して収束性が著しく改善された。
• 放射力が温度および速度構造に敏感であり、正確な計算には占有数および源関数の自己整合的取り扱いが必要であることが示された。
• 過去のモデルが力乗数や簡易的な温度依存性に依存していたことが、終端速度予測に系統的誤差をもたらしていた可能性が示唆された。