[논문 리뷰] CMF models of hot star winds I. Test of the Sobolev approximation in the case of pure line transitions

Jiřı́ Krtička, J. Kubát|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 03.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 열성의 바람 모델에서 공동기준틀(CMF) 복사전달을 사용하여 소볼레프 근사의 타당성을 검증한다. 복사력 계산에 사용되며, 순수한 열선 브로드닝의 경우 소볼레프 근사는 신뢰할 만한 결과를 제공하지만, 선 겹침과 난류 브로드닝은 소음점 이하에서 CMF 선력이 감소시켜 질량 손실률을 최대 40% 감소시키며, 이는 관측된 O형 항성 바람 속도의 이질성과 관련이 있을 수 있다.

ABSTRACT

We provide hot star wind models with radiative force calculated using the solution of comoving frame (CMF) radiative transfer equation. The wind models are calculated for the first stars, O stars, and the central stars of planetary nebulae. We show that without line overlaps and with solely thermal line broadening the pure Sobolev approximation provides a reliable estimate of the radiative force even close to the wind sonic point. Consequently, models with the Sobolev line force provide good approximations to solutions obtained with non-Sobolev transfer. Taking line overlaps into account, the radiative force becomes slightly lower, leading to a decrease in the wind mass-loss rate by roughly 40%. Below the sonic point, the CMF line force is significantly lower than the Sobolev one. In the case of pure thermal broadening, this does not influence the mass-loss rate, as the wind mass-loss rate is set in the supersonic part of the wind. However, when additional line broadening is present (e.g., the turbulent one) the region of low CMF line force may extend outwards to the regions where the mass-loss rate is set. This results in a decrease in the wind mass-loss rate. This effect can at least partly explain the low wind mass-loss rates derived from some observational analyses of luminous O stars.

연구 동기 및 목표

• 열성 바람에서 복사력을 계산할 때 소볼레프 근사의 타당성을 평가하기 위해.
• 선 겹침과 비열선 브로드닝(예: 난류)이 소볼레프 근사의 정확도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• CMF 방법이 소볼레프 접근법과 비교해 상당히 다른 질량 손실률을 도출하는지 확인하기 위해.
• 이러한 차이가 O형 항성과 기타 열성에서 관측된 바람 질량 손실률에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 빛나는 O형 항성에서 이론적 예측과 관측된 질량 손실률 간의 격차가 현실적인 선 브로드닝 조건 하에서 소볼레프 근사의 한계로 인해 발생할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 비열평형 원자 모델을 사용하여 O형 항성, 초기 항성, 행 星 nebula 중심 항성의 구형 대칭, 정적인 바람 모델을 수립하였다.
• 소볼레프 근사를 피하기 위해 공동기준틀(CMF) 복사전달 방정식의 해를 통해 복사력을 계산하였다.
• 동일한 조건에서 CMF로 유도된 복사력과 표준 소볼레프 근사로 유도된 복사력을 비교하였다.
• 순수한 열 브로드닝과 추가적인 난류 브로드닝을 포함한 다양한 선 브로드닝 메커니즘을 변화시켜 힘의 차이에 미치는 영향을 평가하였다.
• 속도와 힘의 반경 의존성을 추적하여 소음점과 임계 해를 CMF 및 소볼레프 모델 모두에서 식별하였다.
• 기본 밀도의 격자 구조를 사용하여 임계 해를 식별하고, 소음점 근처의 힘 차이에 따른 질량 손실률의 민감도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선 겹침이 무시되고 순수한 열선 브로드닝만 존재할 경우, 소볼레프 근사는 소음점 근처에서도 열성 바람에서 복사력을 계산하는 데 있어 얼마나 정확한가?
• RQ2 CMF 모델에서 소볼레프 근사와 비교해 복사력에 대해 선 겹침이 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 난류 선 브로드닝을 포함함으로써 CMF와 소볼레프 선력 간의 격차는 특히 비음속 영역에서 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 CMF와 소볼레프 모델 간의 복사력 차이가 예측된 바람 질량 손실률에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 일부 O형 항성에서 관측된 낮은 질량 손실률은 난류 브로드닝과 국소 외 효과로 인해 CMF 힘이 감소함으로써 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 선 겹침이 없고 순수한 열선 브로드닝일 경우, 소음점 근처에서도 소볼레프 근사는 복사력을 신뢰할 만하게 추정한다.
• 선 겹침을 포함시키면 CMF 선력이 소볼레프 근사 대비 감소하여 예측된 질량 손실률이 약 40% 감소한다.
• 소음점 이하에서는 강한 원천 함수 기울기로 인해 CMF 선력이 소볼레프 힘보다 상당히 낮아지지만, 순수한 열 브로드닝일 경우 이는 질량 손실률에 미치는 영향이 미미하다.
• 난류 선 브로드닝이 도입되면, 낮은 CMF 선력 영역이 질량 손실률이 결정되는 초음속 영역으로 확장되어 예측된 질량 손실률이 상당히 감소한다.
• 이론적 예측과 관측된 O형 항성 질량 손실률 간의 격차는 소볼레프 근사가 난류 브로드닝과 국소 외 효과를 고려하지 못함으로써 발생할 수 있다.
• 결과는 대기 난류가 열성 바람 모델에서 중요한 요소이지만, 아직 잘 제약되지 않은 매개변수임을 시사하며, 현재의 진화 모델이 가정한 것만큼 결정론적이지 않을 수 있음을 시사한다.