[논문 리뷰] Nitrogen line spectroscopy of O-stars -- I. Nitrogen III emission line formation revisited

J. G. Rivero González, J. Puls외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 58인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 fastwind 코드를 사용한 NLTE 복사전달을 통해 O형 항성에서의 광학적 N III 방출선 형성에 대해 재검토하며, 선형 속도장이 아닌 이전자 재결합이 삼중선 방출을 지배한다는 것을 보여준다. 주요 발견은 바람 강도가 방출 강도를 결정하며, 이는 클러스터링이나 X선 효과와 무관하게 질량 손실률을 측정하는 데 N III 선을 활용할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

This is the first paper in a series dealing with optical Nitrogen spectroscopy of O-type stars, aiming at the analysis of Nitrogen abundances. We implemented a new Nitrogen model atom into the NLTE atmosphere/spectrum synthesis code FASTWIND, and compare the resulting optical NIII lines at 4634/40/42 A with other predictions, mostly from Mihalas & Hummer (1973, ApJ 179, 827,`MH'), and from the alternative code CMFGEN. Using similar model atmospheres as MH (not blanketed and wind-free), we are able to reproduce their results, in particular the triplet emission lines. According to MH, these should be strongly related to dielectronic recombination (DR) and the drain by certain two-electron transitions. However, using realistic, fully line-blanketed atmospheres at solar abundances, the key role of DR controlling these emission features is superseded -- for O-star conditions -- by the strength of the stellar wind and metallicity. In the case of wind-free models, the resulting lower ionizing EUV-fluxes severely suppress the emission. As the mass-loss rate is increased, pumping through the NIII resonance line(s) in the presence of a near-photospheric velocity field results in a net optical triplet line emission. A comparison with results from CMFGEN is mostly satisfactory, except for the range 30 kK < Teff < 35 kK, where CMFGEN triggers the triplet emission at lower Teff than FASTWIND. This effect could be traced down to line overlap effects between the NIII and OIII resonance lines that so far cannot be simulated by FASTWIND. Since the efficiency of DR and `two electron drain' strongly depends on the degree of line-blanketing/-blocking, we predict the emission to become stronger in a metal-poor environment, though lower wind-strengths and Nitrogen abundances might counteract this effect. Weak winded stars should display less triplet emission than stars with `normal' winds.

연구 동기 및 목표

• O형 항성에서의 광학적 N III 방출선(λλ4634–4642) 형성 메커니즘을 조사하여, 'f'-형상 분류에 핵심적인 영향을 미치는 바람을 목표로 한다.
• 실제 O형 항성 조건 하에서 이전자 재결합과 항성 바람 효과 중 어느 것이 이 선의 자극을 지배하는지 테스트한다.
• 특히 금속 농도가 낮은 환경에서 질소 농도를 유도하는 데 N III 삼중선의 신뢰성 평가.
• 특히 O III 공명선과의 선 겹침으로 인해 30,000–35,000 K 범위에서 fastwind와 cmfgen 모델 간의 불일치를 해결한다.
• 특히 약한 바람을 가진 항성에서 N III 삼중선 방출이 독립적인 질량 손실률 진단 도구로 활용 가능한지 평가한다.

제안 방법

• fastwind의 NLTE 대기/스펙트럼 합성 코드에 완전한 선 블랭킹을 고려한 N III 모델 원자를 구현하였다.
• 비블랭킹, 바람 없는 동일한 대기 조건에서 Mihalas & Hummer(1973) 및 cmfgen 코드의 예측과 합성 N III 스펙트럼을 비교하였다.
• 바람 유도 속도 구조가 N III 삼중선을 자극하는 방식을 모의하기 위해 Swings 메커니즘(속도장 내 공명선 펌프)을 사용하였다.
• 특히 30,000–35,000 K 범위에서 O III 공명선의 겹침이 N III 소스 함수에 미치는 영향을 정량화하였다.
• 산소 농도에 대한 민감도를 평가하기 위해 cmfgen에서 O III 진동강도를 인위적으로 50배 감소시켜, 선 겹침 효과가 농도 변화에 민감하지 않음을 확인하였다.
• 특히 금속 농도가 높은 vs. 낮은 환경에서 EUV 선 차단이 이전자 재결합 효율을 저하시키는 역할을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O형 항성에서 광학적 삼중선 N III 방출선 형성에 있어, 이전자 재결합인지 바람 유도 펌프가 주요 메커니즘인가?
• RQ2 선 블랭킹은 이전자 재결합 효율성과 그에 따른 N III 방출 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 fastwind와 cmfgen 모델 간에 30,000–35,000 K 범위에서 N III 삼중선 방출의 시작 온도에 차이가 나는 이유는 무엇이며, 이는 O III와의 선 겹침으로 인한 것인가?
• RQ4 N III 삼중선 방출 강도는 약한 바람 항성에서 질량 손실률을 신뢰할 수 있는 독립적 진단 도구로 활용될 수 있는가?
• RQ5 금속 농도가 N III 삼중선 방출에 미치는 영향은 무엇인가? EUV 차단 감소(방출 증가)와 기저 질소 농도 감소 간의 경쟁 효과를 고려할 것.

주요 결과

• 실제 선 블랭킹이 있는 O형 항성 대기에서 Swings 메커니즘을 통한 바람 유도 펌프가 N III 삼중선 방출을 지배하며, 이는 이전자 재결합을 초월하는 주요 자극 메커니즘이다.
• 바람이 없는 또는 약한 바람을 가진 모델은 이온화 EUV 복사량 감소와 속도장 펌프 부재로 인해 N III 삼중선 방출이 크게 억제된다.
• 소스 함수에 포함된 O III 공명선 겹침은 N III 3d 준위의 효과적 펌프를 증가시키며, 고립된 N III 모델이 예측한 것보다 더 낮은 온도에서 강한 방출의 시작을 유도한다.
• fastwind와 cmfgen 간의 30,000–35,000 K 범위의 불일치는 기본 모델 차이가 아니라 해석 불가능한 선 겹침 효과로 기인한다.
• cmfgen에서 O III 진동강도를 50배 감소시켜도 연계된 소스 함수나 방출 강도에 영향을 주지 않아, 선 겹침 효과가 산소 농도 변화에 민감하지 않음을 확인하였다.
• 금속 농도가 낮은 환경(예: SMC, Z/Z⊙ ≈ 0.2)에서는 EUV 선 차단 감소로 인해 N III 삼중선 방출이 더 강하게 예측되나, 이는 낮은 질량 손실률과 질소 농도 감소로 인해 상쇄될 수 있다.