[논문 리뷰] Atmospheric NLTE models for the spectroscopic analysis of blue stars with winds. V. Complete comoving frame transfer, and updated modeling of X-ray emission

J. Puls, F. Najarro외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 88인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 복사압력으로 운동하는 거대한 파란 항성의 스펙트럼 합성 향상을 위해 완전한 공동기준 프레임 방사선 전달을 구현한 fastwind 코드의 업데이트된 버전(v11)을 제시한다. 대부분의 경우 cmfgen과 뛰어난 일치를 보이며, 깊이에 따라 변화하는 충격 충만도 계수를 통해 X선 방출 비례 관계를 확인하고, 원자 데이터 및 선 겹침으로 인한 Fe iv 선 효과와 N v 선에서의 이질성을 부각시킨다.

ABSTRACT

Context. Obtaining precise stellar and wind properties and abundance patterns of massive stars is crucial to understanding their nature and interactions with their environments, as well as to constrain their evolutionary paths and end-products. Aims. To enable higher versatility and precision of the complete UV to optical range, we improve our NLTE atmosphere and spectrum synthesis code FASTWIND. We also aim to obtain an advanced description of X-ray emission from wind-embedded shocks. Methods. We include a detailed comoving frame radiative transfer for the essential frequency range, but still apply methods that enable low turnaround times. Results. In most cases, our new results agree excellently with those from the alternative code CMFGEN, both regarding the total radiative acceleration, strategic optical lines, and the UV-range. The agreement regarding NIII4634-4640-4642 has improved, though there are still certain discrepancies, mostly related to line overlap effects in the extreme ultraviolet. In the UV range of our coolest models, we find differences in the predicted depression of the pseudo-continuum, most pronounced around Ly_alpha. The comparison between our new and previous FASTWIND version reveals an almost perfect agreement, except for NV 4603-4619. Using an improved, depth-dependent description for the filling factors of hot, X-ray emitting material, we confirm previous analytic scaling relations with our numerical models. Conclusions. We warn against uncritically relying on transitions, which are strongly affected by direct or indirect line-overlap effects. The predicted UV-continuum depression for the coolest grid-models needs to be checked, both observationally, and regarding the underlying atomic data. Wind lines from "super-ionized" ions such as OVI can, in principle, be used to constrain the distribution of wind-embedded shocks.

연구 동기 및 목표

• 복사압력으로 운동하는 거대한 파란 항성의 스펙트럼 분석을 위한 fastwind 코드의 정확성과 유연성을 향상시키기 위해.
• 특히 Fe iv 선 효과와 He ii 및 N v 특징에서의 선 겹침에 관련된 자외선 및 가시광선 스펙트럼 합성의 이질성을 해결하기 위해.
• 풍성한 충격을 수반하는 풍속 내부의 충격 방출을 깊이에 따라 변화하는 충만도 계수를 도입하여 X선 방출 모델링을 통합하고, 이전에 충돌하는 결과를 조율하기 위해.
• X선 광도의 분석적 비례 법칙과 대조하여 새로운 모델을 다른 코드들(cmfgen)과 비교 검증하기 위해.
• 차세대 천체망원경을 대비하여 파장 범위를 근적외선 영역으로 확장하고, Fe 및 Ni에 대한 원자 데이터를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이동하고 팽창하는 항성 풍속 내에서 주파수 재분배를 정확히 모의하기 위해 완전한 공동기준 프레임 방사선 전달을 구현하기 위해.
• 최적화된 수치 성능를 갖춘 통합 NLTE 대기 및 스펙트럼 합성 접근법을 사용하여 낮은 전환 시간을 유지하기 위해.
• Owocki 등 (2013)에서 유도한 깊이에 따라 변화하는 X선 충만도 계수를 도입하여 풍속 내부의 충격 방출을 모의하기 위해.
• 결과를 cmfgen 코드와 이전 fastwind 버전과 비교하여 일관성과 이질성을 평가하기 위해.
• 특히 Fe iv에 대한 원자 데이터가 자외선 범위의 가짜 연속부 저하에 미치는 영향을 시험하기 위해.
• 수치 시뮬레이션을 통해 Owocki 등 (2013)의 분석적 표현과 X선 광도 비례 법칙을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 fastwind v11에 완전한 공동기준 프레임 전달 기능이 통합됨으로써 cmfgen 및 이전 fastwind 버전과 비교할 때 합성 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 N v 및 He ii 선에서의 이질성은 무엇이 원인인지, 그리고 원자 데이터 및 선 겹침 효과와의 관계는 어떠한가?
• RQ3 Lyα 근처 예측된 자외선 가짜 연속부 저하가 상당히 다르게 나타나는 이유는 무엇이며, Fe iv 데이터는 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 깊이에 따라 변화하는 X선 충만도 계수는 Feldmeier 등 (1997)과 Owocki 등 (2013) 사이의 오랜 기간 동안 지속된 풍속 내 충격에서의 X선 방출에 대한 모순을 해결할 수 있는가?
• RQ5 초이온화된 O vi 공명선은 얼마나 풍속 내부의 충격 분포를 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 새로운 fastwind v11 결과는 총 복사압력 가속도, 전략적 가시광선 선, 자외선 범위에서 cmfgen과 뛰어난 일치를 보이며, He ii λλ 4200–4541 및 N v λλ 4603–4619에서 중간 정도의 차이를 제외하고는 대부분의 영역에서 일치한다.
• N iii λλ 4634–4640–4642에 대한 일치는 향상되었지만, 극단 자외선 영역에서 원소 농도와 미세 난류 조건에 따라 선 겹침 효과로 인해 여전히 이질성이 존재한다.
• 특히 Lyα 근처에서 강한 자외선 가짜 연속부 저하가 cmfgen에서는 fastwind보다 더 강하게 예측되며, 주로 Fe iv 원자 데이터의 차이로 인한 것이다.
• 새로운 버전과 이전 fastwind 버전 간의 비교에서 N v λλ 4603–4619를 제외한 모든 영역에서 거의 완벽한 일치를 보이며, 업데이트된 코드의 견고성을 확인한다.
• 깊이에 따라 변화하는 X선 충만도 계수의 구현은 X선 방출 모델링을 성공적으로 통합하였으며, Owocki 등 (2013)의 분석적 비례 법칙을 확인하였다.
• 초이온화된 O vi 공명선은 충격 분포에 대한 진단 도구로 잠재력을 보이며, 이는 클러스터 간 매질에 대한 의미 있는 기술이 제공될 경우에 한해 가능하다.