[논문 리뷰] Model Atmospheres From Very Low Mass Stars to Brown Dwarfs

F. Allard, D. Homeier외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 24.

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한 줄 요약

이 논문은 매우 낮은 질량의 별에서 백색왜성까지의 대기 구조를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 복사유체역학, 현실적인 태양 성분 조성(Asplund et al. 2009), 그리고 과포화, 응축, 침강, 이류 혼합을 고려한 동적 구름 모델을 통합한 BT-Settl 대기 모델 격자망을 제시한다. 대기 온도 범위는 Teff = 400–100,000 K이며, 주요 결과는 별과 부별의 경계를 넘어서 부드럽고 물리적으로 일관된 전이를 보이며, GJ 866 및 VB10과 같은 매우 낮은 질량 별의 합성 스펙트럼과 관측된 SED 간에 거의 완벽한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Since the discovery of brown dwarfs in 1994, and the discovery of dust cloud formation in the latest Very Low Mass Stars (VLMs) and Brown Dwarfs (BDs) in 1996, the most important challenge in modeling their atmospheres as become the understanding of cloud formation and advective mixing. For this purpose, we have developed radiation hydrodynamic 2D model atmosphere simulations to study the formation of forsterite dust in presence of advection, condensation, and sedimentation across the M-L-T VLMs to BDs sequence (Teff = 2800 K to 900 K, Freytag et al. 2010). We discovered the formation of gravity waves as a driving mechanism for the formation of clouds in these atmospheres, and derived a rule for the velocity field versus atmospheric depth and Teff , which is relatively insensitive to gravity. This rule has been used in the construction of the new model atmosphere grid, BT-Settl, to determine the microturbulence velocity, the diffusion coefficient, and the advective mixing of molecules as a function of depth. This new model grid of atmospheres and synthetic spectra has beencomputedfor100,000K>Teff >400K,5.5>logg>-0.5,and[M/H]=+0.5to -1.5, and the reference solar abundances of Asplund et al. (2009). We found that the new solar abundances allow an improved (close to perfect) reproduction of the photo- metric and spectroscopic VLMs properties, and, for the first time, a smooth transition between stellar and substellar regimes -- unlike the transition between the NextGen models from Hauschildt et al. 1999a,b, and the AMES-Dusty models from Allard et al. 2001). In the BDs regime, the BT-Settl models propose an improved explanation for the M-L-T spectral transition. In this paper, we therefore present the new BT-Settl model atmosphere grid, which explains the entire transition from the stellar to planetary mass regimes.

연구 동기 및 목표

• 매우 낮은 질량 별에서 백색왜성으로 이르는 전체 범위를 아우르는 통합된 대기 모델 격자를 개발하여 이전의 별과 부별 모델 간의 연속성 부족 문제를 해결한다.
• 업데이트된 수증기 투과율 프로파일과 재검토된 태양 성분 조성을 통합함으로써 합성 스펙트럼에서 지속적으로 나타나던 K-대역 과도한 투과율 문제를 해결한다.
• 복사유체역학, 중력파, 이류 혼합 효과를 포함하여 구름 형성과 대기 동역학을 현실적으로 모델링한다.
• 대기 구조에 과포화, 응축, 침강 물리 모델을 통합하여 매우 낮은 질량 별과 백색왜성의 정확한 스펙트럼 합성 분석을 가능하게 한다.

제안 방법

• 2차원 복사유체역학(RHD) 시뮬레이션을 사용하여 대기 동역학을 모델링하였으며, 이는 중력파와 대류 운동을 포함하며, 효과 온도 범위(2800–900 K)에서 수행되었다.
• BT2 수증기 투과율 선 목록(Barber et al. 2006)과 Asplund et al. (2009)에서 제시한 업데이트된 태양 성분 조성을 통합하여 이전 모델 대비 산소 농도를 0.3 dex 감소시켰다.
• Rossow (1978)의 응축 및 침강 시간 스케일 기반의 구름 모델을 개발하였으며, 평형 화학 계산 결과를 사전에 표로 정리하여 과포화 압력을 계산함으로써 먼지 형성의 정확성을 확보하였다.
• 대기 냉각 과정에서 입자 종류(예: 포르스라이트)의 순차적 형성을 시뮬레이션하기 위해 구름 및 화학 모델을 층별로 내부로 향해 해결하였다.
• RHD 시뮬레이션에서 유도된 속도장을 기반으로 미세 난류, 확산 계수, 이류 혼합을 校정하였으며, 이는 중력에 대해 약한 의존성을 보였다.
• Phoenix 대기 코드를 사용하여 전체 비-grey 복사 전달을 고려한 채택하여, Teff = 400–100,000 K, logg = -0.5에서 5.5, [M/H] = -1.5에서 +0.5의 범위에서 BT-Settl 모델 격자를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 모델 대기 구조가 매우 낮은 질량 별과 백색왜성 사이의 물리적으로 일관된 전이를 다룰 수 있는가?
• RQ2 중력파와 이류 혼합은 냉각되고 먼지가 많은 대기에서 구름 형성과 대기 구조에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Asplund et al. (2009)에서 제시한 업데이트된 태양 성분 조성이 매우 낮은 질량 별의 관측된 스펙트럼 에너지 분포를 얼마나 정확히 재현하는가?
• RQ4 이전 모델들(예: NextGen 및 AMES-Dusty)은 왜 K-대역에서의 복사율을 재현하지 못하고 M-L-T 시퀀스에서 불연속성을 보이는가?
• RQ5 과포화와 침강을 포함한 동적 구름 모델은 어떻게 L형 및 T형 백색왜성의 관측된 색상과 스펙트럼 특징을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• BT-Settl 모델은 M6 항성 GJ 866의 관측된 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 근적외선에서 가시광선 범위까지 거의 완벽한 일치로 재현하며, 특히 0.99 μm 근처의 FeH Wing-Ford 밴드에서 뛰어난 일치를 보였다.
• 신규 태양 성분 조성(Asplund et al. 2009)은 산소 농도를 0.3 dex 감소시켜 오랫동안 지속된 K-대역 과도한 투과율 문제를 해결하고 정확한 복사율 재현을 가능케 하였다.
• 2차원 RHD 시뮬레이션에서 확인된 중력파는 비균일한 구름 층 형성에 기여하며, 이를 바탕으로 모델 격자에서 미세 난류와 이류 혼합을 매개변수화하였다.
• 모델들은 M-L-T 스펙트럼 전이를 성공적으로 재현하였으며, 먼지가 많은 M형 항성에서 맑은 T형 항성으로의 부드러운 변화를 보였으며, 늦은 L형 및 T형 영역에서의 파장이 더 파란색으로 변하는 현상은 구름 침강과 비평형 화학 반응의 영향을 반영하였다.
• 이번에 처음으로 매우 낮은 질량 별과 백색왜성의 합성 스펙트럼이 복사율 조정 없이 관측된 SED와 일치하였으며, VB10의 적외선 스펙트럼까지도 정확히 재현하여 업데이트된 투과율 및 성분 조성 처리의 강력함을 입증하였다.
• BT-Settl 격자는 100,000 K에서 400 K까지 연속적이고 물리적으로 타당한 모델 순서를 제공하며, 이전의 모델 세트와 달리 별과 부별 영역 간의 불연속성이 없었다.