[論文レビュー] Three-dimensional modeling of ionized gas. II. Spectral energy distributions of massive and very massive stars in stationary and time-dependent modeling of the ionization of metals in HII regions

J. A. Weber, A. W. A. Pauldrach+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、時間に依存する金属イオン化を組み込んだ3次元放射移動モデルを提示し、星間スペクトルエネルギー分布（SED）がHII領域内のネーブラー放射線に与える影響を調査する。金属量（0.1–2 Zsun）の範囲でO星のSEDのグリッドを用いて、星の金属量とガスの金属量が、正確な線比診断において同等に重要であることが判明した。一方、密度の不均一性は全体の放射線にほとんど影響しない。

ABSTRACT

HII regions play a crucial role in the measurement of the chemical composition of the interstellar medium and provide fundamental data about element abundances that constrain models of galactic chemical evolution. Discrepancies that still exist between observed emission line strengths and those predicted by nebular models can be partly attributed to the spectral energy distributions (SEDs) of the sources of ionizing radiation used in the models as well as simplifying assumptions made in nebular modeling. The influence of stellar metallicity on nebular line strength ratios, via its effect on the SEDs, is of similar importance as variations in the nebular metallicity. We have computed a grid of model atmosphere SEDs for massive and very massive O-type stars covering a range of metallicities from significantly subsolar (0.1 Zsun) to supersolar (2 Zsun). The SEDs have been computed using a state-of-the-art model atmosphere code that takes into account the attenuation of the ionizing flux by the spectral lines of all important elements and the hydrodynamics of the radiatively driven winds and their influence on the SEDs. For the assessment of the SEDs in nebular simulations we have developed a (heretofore not available) 3d radiative transfer code that includes a time-dependent treatment of the metal ionization. Using the SEDs in both 1d and 3d nebular models we explore the relative influence of stellar metallicity, gas metallicity, and inhomogeneity of the gas on the nebular ionization structure and emission line strengths. We find that stellar and gas metallicity are of similar importance for establishing the line strength ratios commonly used in nebular diagnostics, whereas inhomogeneity of the gas has only a subordinate influence on the global line emission.

研究の動機と目的

• HII領域における観測されたネーブラー発光線強度と予測値の不一致を解消すること。
• 星間スペクトルエネルギー分布（SED）がネーブラーイオン化構造および発光線放射に与える影響を定量化すること。
• 星の金属量、ガスの金属量、密度の不均一性が発光線比をどのように決定づけるかを評価すること。
• ネビュラー環境における金属イオン化状態の時間に依存する取り扱いを備えた3次元時間に依存する放射移動コードを開発すること。
• 今後のネビュラーモデリングに使用可能な広い金属量範囲（0.1–2 Zsun）における高解像度O星SEDのグリッドを提供すること。

提案手法

• 線吸収の影響と放射駆動風を含む最新のモデル大気コードを用いて、大質量および非常に大質量のO型星のSEDを計算した。
• 風駆動によるフラックス減衰とイオン化構造を反映させるために、SEDに流体力学的補正を適用した。
• 金属イオン化状態の時間に依存する取り扱いを備えた、画期的な3次元放射移動コードを開発した。
• 計算されたSEDを用いて1次元および3次元のネビュラーモデリングを実施し、イオン化構造と発光線強度を比較した。
• 星の金属量、ガスの金属量、密度の不均一性を系統的に変化させ、それぞれの影響を分離した。
• 観測診断との比較によるモデル出力の妥当性を検証するために、A&A 583, A63 (2015)のベンチマークを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる金属量における星のSEDが、HII領域のイオン化構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 観測されたネビュラー線比の不一致に、星の金属量とガスの金属量のどちらがより大きな寄与をしているか？
• RQ3 時間に依存する金属イオン化が、3次元モデルにおけるネビュラー診断の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 金属量の影響と比較して、ガス密度の不均一性が全体の発光線強度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 3次元時間に依存する放射移動モデルは、観測値と予測値の間の一致を改善できるか？

主な発見

• 星の金属量は、ガスの金属量と同程度にネビュラー線強度比に影響を与えることが判明し、診断においてガスの金属量のみが支配的であるという仮定に疑問を呈する。
• 3次元モデルに時間に依存する金属イオン化を組み込むことで、定常状態モデルと比較して観測された発光線比との一致が向上した。
• 密度の不均一性は全体の発光線強度に比べて二次的要因にとどまり、金属量の変動ほど重要ではないと考えられる。
• 計算されたSEDグリッドは金属量0.1 Zsunから2 Zsunまでカバーしており、今後のネビュラーモデリングのための包括的ツールを提供する。
• 放射駆動風は特に高金属量星において、イオン化フラックスを顕著に変化させ、SEDの形状とイオン化ポテンシャルに影響を与える。
• 3次元モデルは、球対称性を仮定する1次元モデルでは平均化されてしまう、複雑な空間的イオン化状態の変動を明らかにした。