[논문 리뷰] Line formation in AGB atmospheres including velocity effects. Molecular line profile variations of long period variables

W. Nowotny, S. Höfner외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 66인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 AGB 항성의 동적 대기 모델을 개발하여 펄세이션과 먼지에 의해 구동되는 풍속장을 포함하여 적외선 스펙트럼의 분자 선 프로파일을 시뮬레이션한다. 관측된 선 프로파일 변화와 마이라 및 반정기적 변수의 적산 속도 곡선을 성공적으로 재현하였으며, CO와 CN 선은 서로 다른 대기 깊이에서 형성되며 속도에서 적산 속도로의 변환 계수는 약 1.2–1.5임을 보여주었다.

ABSTRACT

The atmospheres of evolved red giants are considerably influenced by pulsations of the stellar interiors and developing stellar winds. The resulting complex velocity fields severely affect molecular line profiles observable in NIR spectra. With the help of model calculations the complex line formation process in AGB atmospheres was explored with the focus on velocity effects. Furthermore, we aimed for atmospheric models which are able to quantitatively reproduce line profile variations found in observed spectra of pulsating late-type giants. Models describing pulsation-enhanced dust-driven winds were used to compute synthetic spectra under the assumptions of chemical equilibrium and LTE and by solving the radiative transfer in spherical geometry including velocity effects. Radial velocities derived from Doppler-shifted synthetic line profiles provide information on the gas velocities in the line-forming region of the spectral features. On the basis of dynamic models we investigated in detail the finding that various molecular features in AGB spectra originate at different geometrical depths of the very extended atmospheres. We show that the models are able to quantitatively reproduce the characteristic line profile variations of lines sampling the deep photosphere. The global velocity fields of typical LPVs are also realistically reproduced. Possible reasons for discrepancies concerning other modelling results are outlined. In addition, we present a model showing variations of CO dv=3 line profiles comparable to observed spectra of SRVs and discuss that the non-occurence of line doubling in these objects may be due to a density effect. The results of our line profile modelling are another indication that the dynamic models studied here are approaching a realistic representation of the outer layers of AGB stars.

연구 동기 및 목표

• 적산 펄세이션과 먼지에 의해 구동되는 풍속이 AGB 항성 대기에서 분자 선 프로파일에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 확장된 대기에서 복잡한 속도장을 모델링하고, 고해상도 스펙트럼에서 관측 가능한 적산 속도(RV) 이동과 연결하기 위해.
• 특히 마이라 및 반정기적 변수에서 관측된 시간에 따라 변화하는 선 프로파일 변화를 재현하기 위해.
• 선 형성 영역에서 기체 속도와 측정된 적산 속도 간의 정량적 관계를 정량화하기 위해.
• 현재 모델이 CO 첫 번째 오버톤 선을 두 번째 오버톤 선과 비교하여 잘 재현하지 못하는 한계를 평가하기 위해.

제안 방법

• CO와 CN의 분자 선 목록을 사용한 구형 복사전달 계산을 동적 대기 모델에 적용하였다.
• 펄세이션을 강화한 먼지에 의해 구동되는 풍속장을 포함한 유체역학 모델을 사용하여 시간에 따라 변화하는 속도 구조를 시뮬레이션하였다.
• 모델에서 분자 종에 대해 화학적 평형과 국부적 열역학적 평형(LTE)을 가정하였다.
• 합성 스펙트럼을 계산하고, 관측 결과와 비교하기 위해 선 프로파일의 도플러 시프트에서 적산 속도를 유도하였다.
• 선 형성 깊이를 대기 중에서 식별하기 위해 적산 투과도 분포를 사용하였다.
• 가짜 속도장을 정적 초기 모델에 적용하여 속도에서 RV로의 변환을 시험하였으며, p ≈ 1.2–1.5의 결과를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄세이션에 의해 유도된 속도장은 AGB 항성 대기에서 분자 선의 형성과 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 동적 대기 모델은 마이라 및 반정기적 변수에서 관측된 시간에 따라 변화하는 선 프로파일 변화를 어느 정도 잘 재현할 수 있는가?
• RQ3 선 프로파일에서 진짜 기체 속도와 측정된 적산 속도 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ4 왜 일부 CO 선(예: Δv = 2)은 다른 선들(예: Δv = 3)과는 달리 관측 결과와 양호한 일치를 보이지 않는가?
• RQ5 AGB 항성에서 이중피크 선 프로파일이 나타나기 위해 필요한 대기 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 균일한 속도장이 있는 모델에서 기체 속도와 측정된 적산 속도 간의 변환 계수는 약 p = u_gas / RV ≈ 1.2–1.5이다.
• 마이라 변수에서 CO Δv = 3과 CN 선은 서로 다른 대기 깊이에서 형성되며, 관측 결과와 일치하는 S자형의 적산 속도 곡선을 나타낸다.
• 모델은 마이라 항성의 불연속적이고 시간에 따라 변화하는 선 프로파일, 특히 특징적인 RV 곡선 형태를 성공적으로 재현한다.
• CO Δv = 3에서의 선 이중화 현상은 충격파 때문만이 아니라, 수축하는 층에서의 높은 광학 두께가 붉은 편이 이동한 성분을 시각화하는 데에도 필요하다.
• 반정기적 변수에 대한 모델은 관측 결과와 일치하는 선 프로파일 변화를 보여주며, 선 이중화가 없는 이유가 충격의 부재가 아니라 밀도 효과일 수 있음을 시사한다.
• CO Δv = 3 선은 잘 재현되었지만, CO Δv = 2 선은 양호한 일치를 보이지 않아, 첫 번째 오버톤 전이 영역을 모델링하는 데 어려움이 있음을 나타내며, 이는 복잡한 역학과 먼지 투과도 효과 때문일 수 있다.