[논문 리뷰] CMF models of hot star winds II. Reduction of O star wind mass-loss rates in global models

Jiřı́ Krtička, J. Kubát|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 82인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 O 항성의 풍속을 위한 전 세계적이고 자기일관된 유체역학 모델을 제시하며, 공동기준틀(CMF) 복사전달과 국지외 열역학평형(NLTE) 운동론을 사용하여 소볼레프 근사법을 제거한다. 모델은 이전 추정치보다 2–5배 낮은 풍속 질량 손실률을 예측하며, 이는 이론적 예측과 군집 보정된 관측 데이터를 조율하는 바이며, 이전 모델에서 과대평가의 주요 원인으로 지목된 소볼레프 근사법의 문제를 드러낸다.

ABSTRACT

We calculate global (unified) wind models of main-sequence, giant, and supergiant O stars from our Galaxy. The models are calculated by solving hydrodynamic, kinetic equilibrium (also known as NLTE) and comoving-frame (CMF) radiative transfer equations from the (nearly) hydrostatic photosphere to the supersonic wind. For given stellar parameters, our models predict the photosphere and wind structure and in particular the wind mass-loss rates without any free parameters. Our predicted mass-loss rates are by a factor of 2--5 lower than the commonly used predictions. A possible cause of the difference is abandoning of the Sobolev approximation for the calculation of the radiative force, because our models agree with predictions of CMF NLTE radiative transfer codes. Our predicted mass-loss rates agree nicely with the mass-loss rates derived from observed near-infrared and X-ray line profiles and are slightly lower than mass-loss rates derived from combined UV and H$α$ diagnostics. The empirical mass-loss rate estimates corrected for clumping may therefore be reconciled with theoretical predictions in such a way that the average ratio between individual mass-loss rate estimates is not higher than about $ 1.6 $. On the other hand, our predictions are by factor of $ 4.7 $ lower than pure H$α$ mass-loss rate estimates and can be reconciled with these values only assuming a microclumping factor of at least eight.

연구 동기 및 목표

• O 항성의 전역 풍속 모델을 개발하여 유체역학, NLTE 운동론, CMF 복사전달을 동시에 해결한다.
• 자외선, Hα, X선 진단을 통한 이론적 질량 손실률 예측과 관측 추정치 사이의 장기적인 괴리 문제를 해결한다.
• 복사력 계산에서 소볼레프 근사법을 폐기함으로써 예측된 질량 손실률에 미치는 영향을 평가한다.
• 모델 예측이 미세군집 보정된 관측 질량 손실률과 일관된지 평가한다.
• Hα 기반 추정치와의 불일치가 미세군집 인자로 어떻게 조율될 수 있는지 판단한다.

제안 방법

• 광합성에서 초음속 풍속에 이르기까지 유체역학 방정식, NLTE 운동평형 방정식, 공동기준틀(CMF) 복사전달 방정식을 해결한다.
• 이전 모델에서 사용된 단순화된 소볼레프 근사법을 대체하여, CMF 복사전달을 사용해 복사력을 계산한다.
• CMF 복사장에서 유도된 NLTE 준위 분포를 사용해 풍속의 이온화 및 자극 구조를 계산한다.
• 별의 물리적 매개변수(광도, 반지름, 효율 온도)에 기반해 자유 매개변수 없이 질량 손실률을 자기일관적으로 계산한다.
• 관측된 선형형태와 탈출 복사율과 모델 예측을 비교하여 풍속 구조와 질량 손실률의 타당성을 검증한다.
• CMF 평균 강도를 사용해 운동평형 방정식에서 결합-결합 비율에 대한 소볼레프 근사법의 타당성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역 CMF-NLTE 풍속 모델이 자외선, Hα, X선 진단을 통해 얻은 관측 추정치와 비교할 때 질량 손실률을 어떻게 예측하는가?
• RQ2 소볼레프 근사법을 전체 CMF 복사전달로 대체함으로써 예측된 복사력과 질량 손실률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Hα 기반 질량 손실률 추정치와 이론적 예측 사이의 괴리를 미세군집 인자를 통해 조율할 수 있는가?
• RQ4 원거리 자외선 영역의 이온화 분율과 복사율의 차이가 모델 예측에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 군집 형성 위치(광합성 근처 vs. 외부 풍속)가 이론적과 관측 질량 손실률 간 일치성에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 예측된 질량 손실률은 일반적으로 사용되는 이론적 추정치보다 2–5배 낮으며, 주로 CMF를 사용한 복사력 계산이 소볼레프 근사법보다 향상되었기 때문이다.
• 모델 예측은 미세군집 보정된 관측 질량 손실률과 잘 일치하며, 서로 다른 진단 방법 간 최대 비율이 1.6 이하이다.
• 모델은 X선 및 근적외선 선형형태에서 유도된 질량 손실률과 일치하며, 이는 군집 효과에 덜 민감하기 때문이다.
• 보정되지 않은 Hα 기반 추정치와의 괴리(요인 4.7)는 최소 8의 미세군집 인자를 가정할 경우에만 조율될 수 있다.
• 운동평형 방정식에서 결합-결합 비율에 소볼레프 근사법을 사용하는 것은 최종 질량 손실률에 거의 영향을 주지 않으며, 이는 계산 효율성을 고려해 계속 사용할 수 있음을 정당화한다.
• 모델은 CMFGEN 코드에서 유도된 복사력 계산과 양호한 일치를 보이며, 선구동 풍속 모델링에서 CMF 접근법의 신뢰성을 확인한다.