[논문 리뷰] Radiative hydrodynamics simulations of red supergiant stars. IV gray versus non-gray opacities

A. Chiavassa, B. Freytag외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 48인용 수 63

한 줄 요약

이 연구는 비그레이(opacity)를 고려한 CO5BOLD 코드를 사용한 적색 초거성의 3D 복사유체역학 시뮬레이션을 제시하며, 이는 더 급격한 온도 기울기와 더 낮은 온도 변동성을 보여주어 그레이 모델보다 우수한 성능을 발휘한다. 비그레이 처리 방식은 스펙트럼 에너지 분포와 간섭계 반지름 정밀도를 향상시키며, 경험적 보정을 통해 1D 모델의 미소 및 매크로 흐름은 3D 결과와 일치시키기 위해 조정되어야 효과적 중력과 선형 프로파일을 재현할 수 있다.

ABSTRACT

Red supergiants are massive evolved stars that contribute extensively to the chemical enrichment of our Galaxy. It has been shown that convection in those stars gives rise to large granules that cause surface inhomogeneities and shock waves in the photosphere. The understanding of their dynamics is crucial to unveil the unknown mass-loss mechanism, their chemical composition and stellar parameters. We present a new generation of red supergiants simulations with a more sophisticated opacity treatment done with 3D radiative- hydrodynamics CO5BOLD. In the code, the coupled equations of compressible hydrodynamics and non-local radiation transport are solved in the presence of a spherical potential. The stellar core is replaced by a special spherical inner boundary condition, where the gravitational potential is smoothed and the energy production by fusion is mimicked by a simply producing heat corresponding to the stellar luminosity. The post-processing radiative transfer code OPTIM3D is used to extract spectroscopic and interferometric observables. We show that the relaxation of the assumption of frequency-independent opacities shows a steeper mean thermal gradient in the optical thin region that affect strongly the atomic strengths and the spectral energy distribution. Moreover, the weaker temperature fluctuations reduce the incertitude on the radius determination with interferometry. We show that 1D models of red supergiants must include a turbulent velocity calibrated on 3D simulations to obtain the effective surface gravity that mimic the effect of turbulent pressure on the stellar atmosphere. We provide an empirical calibration of the ad-hoc micro- and macroturbulence parameters for 1D models using the 3D simulations: we find that there is not a clear distinction between the different macroturbulent profiles needed in 1D models to fit 3D synthetic lines.

연구 동기 및 목표

• 비그레이 투과도가 적색 초거성(RSG) 대기의 열적 구조와 동역학에 미치는 영향을 조사한다.
• 주파수 의존성 복사 전달이 그레이 근사와 비교하여 스펙트럼 선 형성과 간섭계 관측량에 미치는 영향을 평가한다.
• 3D 시뮬레이션에서 유도된 난류 속도장과 일치시키기 위해 1D 모델의 미소 및 매크로 난류 매개변수를 보정한다.
• 대류 초월과 경계 조건이 RSG의 표면 비균일성과 에너지 수송에 미치는 영향을 평가한다.
• 비그레이 모델이 관측된 RSG 특성, 즉 유효 온도, 빛의 세기, 반지름 등을 더 잘 재현하는지 확인한다.

제안 방법

• 구형 중력 포텐셜과 항성 빛의 세기를 모의하는 열원을 사용한 CO5BOLD 코드를 이용해 3D 복사유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 전통적인 그레이 근사 대신 다중군 주파수 의존성 투과도(5개 그룹)를 구현하여 복사 전달을 처리한다.
• 3D 시뮬레이션 출력물로부터 합성 스펙트럼과 간섭계 볼록도를 계산하기 위해 OPTIM3D 후처리 코드를 사용한다.
• 온도 구조, 속도장, 표면 비균일성 측면에서 3D 비그레이 및 그레이 시뮬레이션을 비교한다.
• 3D 시뮬레이션의 합성 선형 프로파일을 일치시키기 위해 1D 모델의 미소 및 매크로 난류 매개변수를 보정한다.
• 수치 해상도(255³ 대비 401³ 격점)가 대류 구조와 수렴성에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비그레이 투과도의 사용이 적색 초거성 대기 외부층에서 평균 열 기울기와 온도 변동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비그레이 시뮬레이션은 그레이 모델과 비교해 관측된 스펙트럼 에너지 분포와 간섭계 측정치 간의 일치도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 3D 비그레이 시뮬레이션의 효과적 표면 중력과 선형 프로파일을 재현하기 위해 1D 모델에서 필요한 미소 및 매크로 난류 속도는 얼마인가?
• RQ4 비그레이 대비 그레이 시뮬레이션에서 충격파와 대류 운동은 어떻게 다를 수 있으며, 이는 표면 강도 대비 대비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 3D 시뮬레이션의 수치 해상도를 높이면 대류 격자 수와 크기의 수렴성이 발생하는가?

주요 결과

• 비그레이 시뮬레이션은 그레이 모델 대비 광학 투과 영역에서 더 급격한 평균 열 기울기를 보이며, 이는 분자의 강도와 선 강도에 영향을 준다.
• 3D 비그레이 모델은 3D 그레이 시뮬레이션보다 1D 모델에 더 가까운 스펙트럼 에너지 분포를 생성하여, 비그레이 처리가 정확한 스펙트럼 합성에 필수적임을 시사한다.
• 비그레이 모델에서는 복사 열 교환 증가로 인해 온도 변동성이 감소하여 표면 강도 대비 대비가 감소하고 간섭계 반지름 측정 정밀도가 향상된다.
• 그레이 및 비그레이 3D 모델 모두에서 미소 난류 속도는 유사하여, 1D 모델에서 깊이에 관계없이 일정한 미소 난류를 사용하는 것이 합리적인 근사임을 지지한다.
• 1D 모델의 매크로 난류 프로파일은 3D 합성 선을 피팅하기 위해 명확한 차이를 보이지 않지만, 비그레이 모델은 속도장의 표준편차가 더 높아 더 복잡한 선형 프로파일을 나타낸다.
• 비그레이 모델은 더 작은 압력 및 밀도 스케일 높이로 인해 외부층에서 더 강한 충격을 보이며, 이는 더 구조화된 속도장과 선형 프로파일을 유도한다.