[论文解读] Mass loss from inhomogeneous hot star winds I. Resonance line formation in 2D models

J. O. Sundqvist, J. Puls+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用 72

一句话总结

本研究利用随机模型与辐射流体动力学模型，研究了二维非均匀热星风中共振线的形成机制，发现非单调速度场与非空隙的团块间介质对准确再现线轮廓至关重要。研究发现，在非均匀模型中，由共振线推导出的质量损失率可高达标准稀薄团块假设下的十倍，从而调和了与Hα及射电诊断结果之间的矛盾。

ABSTRACT

Small-scale clumping in the winds of hot, massive stars is conventionally included in spectral analyses by assuming optically thin clumps, a void inter-clump medium, and a smooth velocity field. To reconcile investigations of different diagnostics within such models, a highly clumped wind with very low mass-loss rates needs to be invoked. Particularly, unsaturated UV resonance lines seem to indicate rates an order of magnitude (or even more) lower than previously accepted values. We investigate resonance line formation in inhomogeneous hot star winds with non-monotonic velocity fields by means of 2D stochastic and pseudo-2D radiation-hydrodynamic wind models. A Monte-Carlo radiative transfer code is presented and used to produce synthetic line spectra. Results: The optically thin clumping limit is only valid for very weak lines. For intermediate strong lines, the velocity spans of the clumps are of central importance. Current hydrodynamical models predict spans that are too large to reproduce observed profiles unless a very low mass-loss rate is invoked. By simulating lower spans in 2D stochastic models, the profile strengths become drastically reduced, and are consistent with higher mass-loss rates. To simultaneously meet the constraints from strong lines, the inter-clump medium must be non-void. A first comparison to the observed PV doublet in the O6 supergiant lam Cep confirms that a stochastic 2D model reproduces observations with a mass-loss rate roughly ten times higher than that derived from the same lines but assuming optically thin clumping. Tentatively this may resolve discrepancies between theoretical predictions, evolutionary constraints, and recent derived mass-loss rates, and suggests a re-investigation of the structure predicted by current hydrodynamical models.

研究动机与目标

• 解决长期以来在大质量热星中，由紫外共振线（如P V）推导出的质量损失率与Hα/射电诊断结果之间的矛盾。
• 研究小尺度非均匀性、非单调速度场以及非空隙团块间介质对二维风模型中共振线形成的影响。
• 检验当前辐射流体动力学风模型是否能在不依赖人工‘微湍流’的情况下重现观测到的线轮廓。
• 通过将二维随机模型与拟二维模型的合成光谱与观测结果对比，评估光学薄团块近似是否低估了质量损失率。
• 确定辐射流体动力学模型中团块的速度展宽是否与观测到的线强度一致，特别是对中等强度线而言。

提出的方法

• 通过在径向独立的切片中组合一维快照，构建了二维随机模型与拟二维辐射流体动力学风模型，以模拟非均匀的密度与速度结构。
• 开发并应用了一种三维蒙特卡罗辐射转移代码，可在不使用Sobolev近似的情况下处理轴对称球对称风中的共振线形成。
• 将‘有效逃逸比’作为关键参数，量化光子从共振区域逃逸的情况，同时考虑团块结构中的孔隙率与空隙率。
• 在不同假设下模拟了紫外共振线（如P V）的合成线轮廓：光学薄团块、空隙团块间介质、以及非单调速度场。
• 将模型预测与O6超巨星λ Cep中P V双线轮廓的观测结果进行比较，以标定质量损失率。
• 评估团块间介质（ICM）的孔隙率与团块速度展宽对线饱和度与轮廓强度的影响，尤其关注中等强度线。

实验结果

研究问题

• RQ1 非单调速度场与非空隙团块间介质如何影响非均匀热星风中共振线的形成？
• RQ2 当前辐射流体动力学模型在不引入人工微湍流的情况下，能在多大程度上重现观测到的紫外共振线轮廓？
• RQ3 为何标准模型中的共振线所暗示的质量损失率比Hα与射电诊断结果低一个数量级？
• RQ4 能否通过具有真实速度展宽与非空隙ICM的二维随机模型重现观测到的线强度，同时避免中等强度线的饱和？
• RQ5 当完整考虑非均匀风结构（包括团块速度展宽与ICM）时，共振线所暗示的真实质量损失率是多少？

主要发现

• 对于强共振线，光学薄团块极限不成立，因为即使弱线也因复杂的密度与速度结构而表现出显著饱和。
• 非单调速度场与非空隙团块间介质对重现观测线轮廓至关重要；空隙ICM会导致线过强或过度饱和，不符合物理实际。
• 辐射流体动力学模型能自然重现强线特征（如黑色凹陷），无需引入超音速微湍流，证实了其物理解释力。
• 当前辐射流体动力学模型中团块的速度展宽过大，除非假设极低质量损失率，否则无法重现观测到的中等强度线轮廓。
• 通过在二维随机模型中减小速度展宽，线强度显著降低，使得质量损失率可高达标准光学薄团块假设下的十倍。
• 对λ Cep中P V双线的初步比较表明，采用非空隙ICM与真实速度展宽的二维随机模型，能以接近十倍于标准光学薄团块模型的质量损失率重现观测结果。