[논문 리뷰] Hydrodynamic model atmospheres for WR stars: Self-consistent modeling of a WC star wind

G. Gräfener, W.‐R. Hamann|CERN Bulletin|2004. 10. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 50인용 수 94

한 줄 요약

이 논문은 WC5 월드-레이너 별 바람에 대해 비-LTE 수소역학 모델을 처음으로 제시하며, 공동 프레임에서의 복사 전달을 수소역학 방정식과 결합한다. 이 모델은 '핫 아이언 번프'(Fe ix–xvi) 투과도가 광학 두꺼운 층에서 강한 복사 가속을 유도하며 질량 손실을 유도함을 보여주며, 낮은 이オン화 상태의 Fe, C, O 이온은 외부 바람의 가속을 이끌어내어 클러핑 효과를 포함한 관측된 O vi 방출선과 바람 구조를 재현한다.

ABSTRACT

We present the first non-LTE atmosphere models for WR stars that incorporate a self-consistent solution of the hydrodynamic equations. The models account for iron-group line-blanketing and clumping, and compute the hydrodynamic structure of a radiatively driven wind consistently with the non-LTE radiation transport in the co-moving frame. We construct a self-consistent wind model that reproduces all observed properties of an early-type WC star (WC5). We find that the WR-type mass-loss is initiated at high optical depth by the so-called `Hot Iron Bump' opacities (Fe IX-XVI). The acceleration of the outer wind regions is performed by iron-group ions of lower excitation in combination with C and O. Consequently, the wind structure shows two acceleration regions, one close to the hydrostatic wind base in the optically thick part of the atmosphere, and another farther out in the wind. In addition to the radiative acceleration, the `Iron Bump' opacities are responsible for an intense heating of deep atmospheric layers. We find that the observed narrow OVI-emissions in the optical spectra of WC stars originate from this region. By their dependence on the clumping factor we gain important information about the location where the density inhomogeneities in WR-winds start to develop.

연구 동기 및 목표

• 비- LTE 복사 전달을 수소역학과 결합한 WC5 월드-레이너 별 바람의 자기 일관성 있는 모델을 개발하는 것.
• Fe M-껍질 이온(Fe ix–xvi)에 의한 복사 가속이 광학 두꺼운 층에서 질량 손실을 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 클러핑이 복사 가속에서 차지하는 역할과 관측된 바람 특성(예: O vi 방출선)에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 초기형 WC 별의 관측된 최종 속도, 질량 손실률 및 스펙트럼 특징을 재현하는 것.
• 소닉 포인트 위치와 바람 가속 구조가 별의 구조 모델과 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 비- LTE 대기 코드를 수소역학 방정식과 결합하여 바람 구조와 복사 전달을 동시에 해결하는 방법을 사용하였다.
• 수백만 개의 겹치는 스펙트럼 선을 정확히 해상하기 위해 세밀한 주파수 격자를 사용하여 공동 프레임에서의 복사력 계산을 보장하였다.
• 160 kK 근처에서 '핫 아이언 번프' 투과도 증가를 모의하기 위해 철군 선 블랭킷팅(Fe ix–xvi)을 통합하였다.
• 밀도 비균일성을 고려하기 위해 클러핑 인자 D를 적용하여 효과적인 질량 손실률을 √D로 감소시켰다.
• 비- LTE 조건 하에서 모든 이온화 단계에 대한 통계 평형 방정식을 해결하였다.
• 관측된 WR 111(WC5)와 비교하기 위해 탈출하는 복사율과 선 프로파일을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe M-껍질 이온(Fe ix–xvi)에 의한 복사 가속이 WC 별의 광학 두꺼운 층에서 바람을 유도할 수 있는가?
• RQ2 WC5 별에 대한 자기 일관성 있는 수소역학 바람 모델에서 소닉 포인트는 어디에 위치하는가?
• RQ3 클러핑 효과는 복사 가속과 관측된 O vi 방출선에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 O vi 방출선은 '핫 아이언 번프'에 의해 구동되는 깊은 고온의 층에서 기인하는가?
• RQ5 특히 두 가지 가속 영역이 있는 바람 구조는 표준 CAK 이론의 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 소닉 포인트는 높은 광학 두께(τ ≈ 100)와 높은 온도(T_s = 199 kK)에 위치하며, 이는 '핫 아이언 번프' 투과도 증가와 일치한다.
• 두 개의 명백한 가속 영역이 확인되었는데, 깊은 층에서는 Fe ix–xvi에 의한 급격한 증가와 외부 바람에서는 낮은 이온화 상태의 Fe, C, O 이온에 의한 더 완만한 증가가 관찰된다.
• 관측된 좁은 O vi 방출선은 '핫 아이언 번프'에 의한 가열과 높은 별 표면 온도(T_⋆ ≈ 140 kK)로 인해 깊은 대기 층에서 기인한다.
• 복사력은 클러핑 인자 D에 매우 민감하며, O vi 선은 바람에서 클러핑의 시작을 진단하는 데 유용한 지표가 된다.
• 모델에서 탈출하는 복사율과 바람의 최종 속도는 WC5 별 WR 111의 관측 결과와 일치한다.
• 외부 바람에서 표준 CAK 이론과의 상당한 이격이 나타나며, 특히 속도 기울기 변화에 대한 복사력 반응에서 선 겹침과 재결합 캐스케이드의 영향으로 보인다.