[논문 리뷰] Mass loss from inhomogeneous hot star winds I. Resonance line formation in 2D models

J. O. Sundqvist, J. Puls외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 11. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 40인용 수 72

한 줄 요약

이 연구는 확률적 및 복사유체역학 모델을 사용하여 2차원 비균일한 고온 항 星의 공명선 형성에 대해 조사하며, 비단조선적 속도장과 공백이 없는 클러스터 간 매체가 정확한 선형형을 위해 필수적임을 밝혀낸다. 비균일한 모델에서 유도된 질량 손실률은 기존의 투명한 클러스터링 가정에 비해 최대 10배 높을 수 있으며, 이는 UV 공명선과 Hα, 라디오 진단 간의 모순을 해소한다.

ABSTRACT

Small-scale clumping in the winds of hot, massive stars is conventionally included in spectral analyses by assuming optically thin clumps, a void inter-clump medium, and a smooth velocity field. To reconcile investigations of different diagnostics within such models, a highly clumped wind with very low mass-loss rates needs to be invoked. Particularly, unsaturated UV resonance lines seem to indicate rates an order of magnitude (or even more) lower than previously accepted values. We investigate resonance line formation in inhomogeneous hot star winds with non-monotonic velocity fields by means of 2D stochastic and pseudo-2D radiation-hydrodynamic wind models. A Monte-Carlo radiative transfer code is presented and used to produce synthetic line spectra. Results: The optically thin clumping limit is only valid for very weak lines. For intermediate strong lines, the velocity spans of the clumps are of central importance. Current hydrodynamical models predict spans that are too large to reproduce observed profiles unless a very low mass-loss rate is invoked. By simulating lower spans in 2D stochastic models, the profile strengths become drastically reduced, and are consistent with higher mass-loss rates. To simultaneously meet the constraints from strong lines, the inter-clump medium must be non-void. A first comparison to the observed PV doublet in the O6 supergiant lam Cep confirms that a stochastic 2D model reproduces observations with a mass-loss rate roughly ten times higher than that derived from the same lines but assuming optically thin clumping. Tentatively this may resolve discrepancies between theoretical predictions, evolutionary constraints, and recent derived mass-loss rates, and suggests a re-investigation of the structure predicted by current hydrodynamical models.

연구 동기 및 목표

• 고온의 거대 항성에서 UV 공명선(예: P V)으로 유도된 질량 손실률과 Hα/라디오 진단으로부터 유도된 값 사이의 오랜 기간 지속된 모순을 해결하기 위해.
• 소규모 비균일성, 비단조선적 속도장, 공백이 없는 클러스터 간 매체가 2차원 바람 모델에서 공명선 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 현재의 복사유체역학 바람 모델이 인위적인 '미세 turbulence' 없이 관측된 선형형을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 합성 스펙트럼을 2차원 확률적 및 가짜 2차원 모델을 사용해 관측과 비교함으로써, 투명한 클러스터링 근사가 질량 손실률을 과소평가하는지 평가하기 위해.
• 복사유체역학 모델에서 클러스터의 속도 범위가 관측된 선 강도와 일치하는지 평가하며, 특히 중간 강도 선에 대해 중점적으로 다룬다.

제안 방법

• 반경 방향으로 독립적인 조각들에 1차원 스크래치를 조합하여 2차원 확률적 및 가짜 2차원 복사유체역학 바람 모델을 구축함으로써 비균일한 밀도 및 속도 구조를 시뮬레이션함.
• 축대칭 구형 바람에서 공명선 형성을 다루는 3차원 몬테카를로 복사전달 코드를 개발하고 적용함. 소볼레브 근사법을 사용하지 않음.
• 포르오시티와 비어리스티티를 고려하여 클러스터 구조의 포탄성에 기여하는 핵심 매개변수로 '효과적 탈출 비율'을 사용함.
• 투명한 클러스터, 공백이 있는 클러스터 간 매체, 비단조선적 속도장 등의 다양한 가정 하에 UV 공명선(예: P V)의 합성 선형형을 시뮬레이션함.
• λ Cep의 관측된 P V 双중선 프로파일과 모델 예측을 비교하여 질량 손실률를 校정함.
• 클러스터 간 매체(ICM)의 포르오시티와 클러스터 속도 범위가 선 포화도 및 선 강도에 미치는 영향을 평가함. 특히 중간 강도 선에 초점을 맞춤.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비단조선적 속도장과 공백이 없는 클러스터 간 매체는 비균일한 고온 항성 바람에서 공명선 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 현재의 복사유체역학 모델이 인위적인 미세 turbulence 없이 관측된 UV 공명선 프로파일을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ3 왜 표준 모델에서 공명선은 Hα 및 라디오 진단보다 질량 손실률을 약 10배 낮게 나타내는가?
• RQ4 실제 속도 범위와 공백이 없는 ICM를 갖춘 2차원 확률적 모델이 관측된 선 강도를 재현하면서도 중간 강도 선의 포화를 피할 수 있는가?
• RQ5 클러스터 속도 범위와 ICM를 포함한 전체 비균일한 바람 구조를 고려할 때, 공명선이 암시하는 진정한 질량 손실률는 얼마인가?

주요 결과

• 강한 공명선에 대해서는 투명한 클러스터링 근사가 성립하지 않으며, 복잡한 밀도 및 속도 구조로 인해 조그만 선조차도 상당한 포화를 보임.
• 비단조선적 속도장과 공백이 없는 클러스터 간 매체는 관측된 선형형을 재현하기 위해 필수적임. 공백이 있는 ICM는 물리적으로 비현실적인 강한 또는 포화된 선을 유도함.
• 복사유체역학 모델은 초음속의 인위적 미세 turbulence 없이도 강한 선 특징(예: 검은 틈)을 자연스럽게 재현함으로써 물리적 타당성을 확인함.
• 현재의 복사유체역학 모델에서 클러스터의 속도 범위는 너무 넓어, 매우 낮은 질량 손실률를 가정하지 않으면 관측된 중간 강도 선 프로파일을 재현할 수 없음.
• 2차원 확률적 모델에서 속도 범위를 줄이면 선 강도가 크게 감소하며, 이로 인해 투명한 클러스터링 근사 가정 하에 유도된 값보다 질량 손실률가 최대 10배 높아질 수 있음.
• λ Cep의 P V 이중선에 대한 첫 번째 비교 결과, 공백이 없는 ICM와 현실적인 속도 범위를 갖춘 2차원 확률적 모델이 관측을 거의 10배 높은 질량 손실률로 재현함.