[논문 리뷰] Ionization structure in the winds of B[e] supergiants II. Influence of rotation on the formation of equatorial hydrogen neutral zones

M. Kraus|ArXiv.org|2006. 05. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 22인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 B[e] 초거성에서의 급속한 회전이 이온화 구조를 변화시켜 성별 평면 근처에 수소 무역 영역을 형성하는 방식을 조사한다. 2차원 복사장 모델링을 적용한 1차원 이온화 평형 계산을 통해, 회전 속도가 임계 속도의 80% 이상이고 질량 손실률이 5×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹을 초과할 경우, 수소가 별 표면에서 또는 그 근처에서 재결합함을 발견하였으며, 이는 추가적인 밀도 증가 없이도 중성 평면 디스크를 형성할 수 있는 타당한 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

Context: B[e] supergiants are known to have non-spherical winds, and the existence of disks that are neutral in hydrogen close to their stellar surface has been postulated. A suitable mechanism to produce non-spherical winds seems to be rapid rotation, and at least for three B[e] supergiants in the Magellanic Clouds rotation velocities at a substantial fraction of their critical velocity have been found. Aims: We want to find suitable recombination distances in the equatorial plane of rapidly rotating stars that explain the observed huge amounts of neutral material in the vicinity of B[e] supergiants. Methods: We perform ionization structure calculations in the equatorial plane around rapidly rotating luminous supergiants. The restriction to the equatorial plane allows us to treat the ionization balance equations 1-dimensionally, while the stellar radiation field is calculated 2-dimensionally, taking into account the latitudinal variation of the stellar surface parameters. The stellar parameters used correspond to those known for B[e] supergiants. The assumptions made in the computations all have in common that the total number of available ionizing photons at any location within the equatorial plane is overestimated, resulting in upper limits for the recombination distances. Results: We find that despite the drop in equatorial surface density of rapidly rotating stars (neglecting effects like bi-stability and/or wind compression), hydrogen and helium recombine at or close to the stellar surface, for mass loss rates Mdot > 5d-5 M_sun/yr and rotation speeds in excess of v(rot,eq)/v(crit)=0.8.

연구 동기 및 목표

• B[e] 초거성에서의 급속한 회전이 별 표면 근처에 자연스럽게 수소 무역 영역을 형성할 수 있는지 확인하는 것.
• 회전이 성별 바람 평면 내 이온화 구조에 미치는 영향을 분석하고, 재결합 거리에 초점을 맞추는 것.
• 관측된 질량 손실률과 회전 속도가 성별 영역에서 중성 수소를 유지하는 데 충분한지 평가하는 것.
• 이온화 광자 가용성이 과대평가되는 보수적인 가정 하에 중성 디스크 형성이 얼마나 견고한지 테스트하는 것.

제안 방법

• 구형 대칭 복사장을 가정하지만 위도에 따라 달라지는 별 파rameters를 고려하여 성별 평면을 따라 1차원 이온화 평형 방정식을 푸는 것.
• 중력 어두움과 유효 온도 및 표면 중력의 위도 변화를 고려하기 위해 2차원에서 별 복사장을 계산하는 것.
• B[e] 초거성의 특성에 맞는 별 파rameters를 사용: 빛의 세기, 반지름, 바람 성질이 관측된 값과 일치하는 것.
• 이중 안정성 또는 바람 압축으로 인한 초기 밀도 증가가 없는 순수 수소-Helium 바람을 가정하는 것.
• 각 위치에서 이용 가능한 이온화 광자의 수를 과대평가하여 재결합 거리의 상한선을 계산하는 것.
• 재결합 거리를 회전 속도(v_rot/v_crit)와 질량 유량(F_m,pole)의 함수로 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B[e] 초거성에서의 급속한 회전이 성별 평면에서 별 표면 근처에서 수소 재결합을 유도할 수 있는가?
• RQ2 별 근처에서 중성 수소가 형성되기 위해 필요한 최소 질량 손실률과 회전 속도는 얼마인가?
• RQ3 중력 어두움과 그로 인한 유효 온도의 위도 변화가 성별 바람 내 이온화 평형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이온화 광자를 과대평가하는 보수적인 가정이 예측된 재결합 거리에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 B[e] 초거성의 질량 손실률과 회전 속도 범위가 그들의 순환성 디스크 내 중성 물질 존재를 설명하는 데 충분한가?

주요 결과

• 급속한 회전을 하는 B[e] 초거성에서 수소 재결합은 성별 표면에서 또는 매우 가까운 곳에서 발생하며, 이는 회전으로 인해 성별 표면 밀도가 감소하더라도 여전히 유지된다.
• 회전 속도가 임계 속도의 80% 이상(v_rot/v_crit ≥ 0.8)일 경우, 극지역 질량 유량이 1.5×10⁻⁵ g s⁻¹ cm⁻²를 초과하면 수소가 표면 근처에서 재결합한다.
• 이는 최소 5×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹의 질량 손실률에 해당하며, 이는 B[e] 초거성에서 관측된 범위(10⁻⁵에서 10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹)에 속한다.
• 이온화 광자 가용성이 과대평가될 경우 재결합 거리는 더 큰 반경으로 밀려나오므로, 실제 재결합 거리는 더 별에 가까이 있을 것으로 예상된다.
• 결과적으로 이중 안정성 또는 바람 압축과 같은 추가 메커니즘이 없이도, 회전만으로도 B[e] 초거성의 성별 중성 물질 형성을 설명할 수 있다.
• 이러한 발견은 회전이 B[e] 초거성의 순환성 디스크 내 관측된 중성 수소 영역을 설명하는 데 충분한 메커니즘이라는 것을 뒷받침한다.