[論文レビュー] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars. IV gray versus non-gray opacities

A. Chiavassa, B. Freytag+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用数 63

ひとこと要約

本研究では、非灰色透過率を用いたCO5BOLDコードを用いた赤超巨星の3次元放射流体力学的シミュレーションを実施し、灰色モデルと比較して、より急な温度勾配と弱い温度変動を明らかにした。非灰色処理によりスペクトルエネルギー分布と干渉測定半径の精度が向上し、観測による補正から、1次元モデルにおけるマイクロおよびマクロ乱流パラメータは3次元結果に一致させるために調整する必要があることが示された。

ABSTRACT

Red supergiants are massive evolved stars that contribute extensively to the chemical enrichment of our Galaxy. It has been shown that convection in those stars gives rise to large granules that cause surface inhomogeneities and shock waves in the photosphere. The understanding of their dynamics is crucial to unveil the unknown mass-loss mechanism, their chemical composition and stellar parameters. We present a new generation of red supergiants simulations with a more sophisticated opacity treatment done with 3D radiative- hydrodynamics CO5BOLD. In the code, the coupled equations of compressible hydrodynamics and non-local radiation transport are solved in the presence of a spherical potential. The stellar core is replaced by a special spherical inner boundary condition, where the gravitational potential is smoothed and the energy production by fusion is mimicked by a simply producing heat corresponding to the stellar luminosity. The post-processing radiative transfer code OPTIM3D is used to extract spectroscopic and interferometric observables. We show that the relaxation of the assumption of frequency-independent opacities shows a steeper mean thermal gradient in the optical thin region that affect strongly the atomic strengths and the spectral energy distribution. Moreover, the weaker temperature fluctuations reduce the incertitude on the radius determination with interferometry. We show that 1D models of red supergiants must include a turbulent velocity calibrated on 3D simulations to obtain the effective surface gravity that mimic the effect of turbulent pressure on the stellar atmosphere. We provide an empirical calibration of the ad-hoc micro- and macroturbulence parameters for 1D models using the 3D simulations: we find that there is not a clear distinction between the different macroturbulent profiles needed in 1D models to fit 3D synthetic lines.

研究の動機と目的

• 非灰色透過率が赤超巨星（RSG）の大気における温度構造と力学的挙動に与える影響を調査すること。
• 周波数依存の放射移動が、灰色近似と比較してスペクトル線形成および干渉測定観測量に与える影響を評価すること。
• 3次元シミュレーションから得られる乱流速度場に一致させるために、1次元モデルにおけるマイクロおよびマクロ乱流パラメータを補正すること。
• 対流オーバーシュートおよび境界条件が、RSGの表面不均一性およびエネルギー輸送に与える影響を評価すること。
• 非灰色モデルが、有効温度、光度、半径といった観測されたRSGの性質をよりよく再現するかどうかを特定すること。

提案手法

• 球対称重力場と星の光度を模倣する熱源を備えたCO5BOLDコードを用いて、3次元放射流体力学的シミュレーションを実施する。
• 従来の灰色近似に代えて、5つの周波数帯に分ける多群周波数依存透過率を導入する。
• 3次元シミュレーション出力から合成スペクトルおよび干渉測定可視度を計算するために、OPTIM3D後処理コードを用いる。
• 温度構造、速度場、表面不均一性の観点から、3次元非灰色モデルと灰色モデルを比較する。
• 3次元シミュレーションからの合成ラインプロファイルに一致させるために、1次元モデルのマイクロおよびマクロ乱流パラメータを補正する。
• 数値分解能（255³対401³グリッドポイント）が対流構造および収束性に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非灰色透過率の使用が、赤超巨星大気の外層における平均温度勾配および温度変動にどのように影響するか？
• RQ2 非灰色シミュレーションは、灰色モデルと比較して、観測されたスペクトルエネルギー分布および干渉測定にどの程度近づくか？
• RQ3 3次元非灰色シミュレーションからの表面有効重力およびラインプロファイルを再現するための1次元モデルにおける必要なマイクロおよびマクロ乱流値は何か？
• RQ4 非灰色と灰色のシミュレーションにおける衝撃波および対流運動の違いは何か？また、それらは表面強度対比にどのような影響を及えるか？
• RQ5 3次元シミュレーションにおける数値分解能を向上させることで、対流グランウールの数およびサイズが収束するか？

主な発見

• 非灰色シミュレーションでは、灰色モデルと比較して、光学的薄い領域における平均温度勾配が急になっている。これは分子およびライン強度に影響を与える。
• 3次元非灰色モデルは、1次元モデルに近いスペクトルエネルギー分布を生成するが、3次元灰色シミュレーションとは顕著に異なる。これは、正確なスペクトル合成のためには非灰色処理が不可欠であることを示している。
• 非灰色モデルでは、放射熱交換が強化され、温度変動が弱くなる。その結果、表面強度対比が低下し、干渉測定半径の精度が向上する。
• 灰色および非灰色の両方の3次元モデルにおけるマイクロ乱流速度は類似しており、1次元モデルにおける深さに依存しないマイクロ乱流の仮定が妥当な近似であることを支持する。
• 1次元モデルにおけるマクロ乱流プロファイルは、3次元合成ラインをフィットさせるために明確な差が見られないが、非灰色モデルでは速度場の標準偏差が高くなる傾向にあり、より複雑なラインプロファイルを示している。
• 非灰色モデルでは、圧力および密度スケール高さが小さいため、外層でより強い衝撃波が発生し、より構造的な速度場およびラインプロファイルを示している。