[论文解读] Atmospheric NLTE models for the spectroscopic analysis of blue stars with winds. V. Complete comoving frame transfer, and updated modeling of X-ray emission

J. Puls, F. Najarro+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用 4

一句话总结

本文介绍了 fastwind 代码（v11）的更新版本，实现了完整的共动系参考系辐射转移，以改进具有风的高质量蓝星的光谱合成。在大多数情况下，其结果与 cmfgen 一致，通过深度依赖的激波填充因子验证了 X 射线发射的标度关系，并揭示了由于原子数据和谱线重叠导致的 Fe iv 线效应与 N v 线的差异。

ABSTRACT

Context. Obtaining precise stellar and wind properties and abundance patterns of massive stars is crucial to understanding their nature and interactions with their environments, as well as to constrain their evolutionary paths and end-products. Aims. To enable higher versatility and precision of the complete UV to optical range, we improve our NLTE atmosphere and spectrum synthesis code FASTWIND. We also aim to obtain an advanced description of X-ray emission from wind-embedded shocks. Methods. We include a detailed comoving frame radiative transfer for the essential frequency range, but still apply methods that enable low turnaround times. Results. In most cases, our new results agree excellently with those from the alternative code CMFGEN, both regarding the total radiative acceleration, strategic optical lines, and the UV-range. The agreement regarding NIII4634-4640-4642 has improved, though there are still certain discrepancies, mostly related to line overlap effects in the extreme ultraviolet. In the UV range of our coolest models, we find differences in the predicted depression of the pseudo-continuum, most pronounced around Ly_alpha. The comparison between our new and previous FASTWIND version reveals an almost perfect agreement, except for NV 4603-4619. Using an improved, depth-dependent description for the filling factors of hot, X-ray emitting material, we confirm previous analytic scaling relations with our numerical models. Conclusions. We warn against uncritically relying on transitions, which are strongly affected by direct or indirect line-overlap effects. The predicted UV-continuum depression for the coolest grid-models needs to be checked, both observationally, and regarding the underlying atomic data. Wind lines from "super-ionized" ions such as OVI can, in principle, be used to constrain the distribution of wind-embedded shocks.

研究动机与目标

• 提升 fastwind 代码在具有辐射驱动风的高质量蓝星光谱分析中的精度与通用性。
• 解决紫外与光学波段光谱合成中的差异，特别是 Fe iv 线效应以及 N v 和 He ii 特征中的谱线重叠问题。
• 通过引入深度依赖的填充因子，统一风内嵌激波的 X 射线发射建模，弥合此前相互矛盾的结果。
• 通过与替代代码（cmfgen）及 X 射线光度的解析标度律对比，验证新模型的可靠性。
• 为下一代望远镜做好准备，将波长范围扩展至近红外波段，并改进 Fe 和 Ni 的原子数据。

提出的方法

• 实现完整的共动系参考系辐射转移，以准确模拟运动、膨胀星风中的频率再分配。
• 采用统一的非局部热动平衡（NLTE）大气与光谱合成方法，优化数值性能，以保持极低的计算周转时间。
• 应用 Owocki 等（2013）推导的深度依赖 X 射线填充因子，对风内嵌结构中的激波特发射进行建模。
• 将结果与 cmfgen 代码及先前的 fastwind 版本进行比较，评估一致性并识别差异。
• 测试原子数据（特别是 Fe iv）对紫外波段伪连续谱凹陷的影响。
• 通过数值模拟，将 X 射线光度标度关系与 Owocki 等（2013）的解析表达式进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 fastwind v11 中完整共动系参考系转移的引入，与 cmfgen 及先前 fastwind 版本相比，对合成光谱有何影响？
• RQ2 观测到的 N v 和 He ii 线差异的成因是什么？它们与原子数据和谱线重叠效应有何关联？
• RQ3 为何在 Lyα 附近预测的紫外伪连续谱凹陷存在显著差异？Fe iv 数据在此中起什么作用？
• RQ4 深度依赖的 X 射线填充因子能否解决 Feldmeier 等（1997）与 Owocki 等（2013）在风激波 X 射线发射问题上的长期分歧？
• RQ5 超电离 O vi 共振线在多大程度上可约束大质量恒星星风内嵌激波的分布？

主要发现

• 新版本 fastwind v11 在总辐射加速度、关键光学线及紫外波段方面与 cmfgen 结果高度一致，仅在 He ii λλ 4200–4541 和 N v λλ 4603–4619 波段存在中等程度差异。
• N iii λλ 4634–4640–4642 的一致性有所改善，但因极端紫外波段的谱线重叠效应，且受丰度与微湍流影响，差异仍存在。
• 紫外伪连续谱中出现显著凹陷（尤其在 Lyα 附近）在 cmfgen 中比 fastwind 更为明显，主要归因于 Fe iv 原子数据的差异。
• 新旧 fastwind 版本的对比显示近乎完美的一致性，仅在 N v λλ 4603–4619 波段存在差异，证实了更新代码的稳健性。
• 深度依赖的 X 射线填充因子成功统一了 X 射线发射建模，证实了 Owocki 等（2013）的解析标度关系。
• 超电离 O vi 共振线在具备对团间介质的合理描述时，具有作为激波分布诊断工具的潜力。