[论文解读] Model Atmospheres From Very Low Mass Stars to Brown Dwarfs

F. Allard, D. Homeier+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2010

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 74

一句话总结

本文提出了BT-Settl模型大气网格，整合了辐射流体动力学、真实的太阳元素丰度（Asplund et al. 2009），以及考虑过饱和、凝结、沉降和输运混合的动态云模型，以精确模拟从极低质量恒星到棕矮星（Teff = 400–100,000 K）的大气层。主要成果是在恒星-亚恒星边界处实现了平滑且物理解释一致的过渡，合成光谱与GJ 866和VB10等极低质量恒星的观测SED近乎完美吻合。

ABSTRACT

Since the discovery of brown dwarfs in 1994, and the discovery of dust cloud formation in the latest Very Low Mass Stars (VLMs) and Brown Dwarfs (BDs) in 1996, the most important challenge in modeling their atmospheres as become the understanding of cloud formation and advective mixing. For this purpose, we have developed radiation hydrodynamic 2D model atmosphere simulations to study the formation of forsterite dust in presence of advection, condensation, and sedimentation across the M-L-T VLMs to BDs sequence (Teff = 2800 K to 900 K, Freytag et al. 2010). We discovered the formation of gravity waves as a driving mechanism for the formation of clouds in these atmospheres, and derived a rule for the velocity field versus atmospheric depth and Teff , which is relatively insensitive to gravity. This rule has been used in the construction of the new model atmosphere grid, BT-Settl, to determine the microturbulence velocity, the diffusion coefficient, and the advective mixing of molecules as a function of depth. This new model grid of atmospheres and synthetic spectra has beencomputedfor100,000K>Teff >400K,5.5>logg>-0.5,and[M/H]=+0.5to -1.5, and the reference solar abundances of Asplund et al. (2009). We found that the new solar abundances allow an improved (close to perfect) reproduction of the photo- metric and spectroscopic VLMs properties, and, for the first time, a smooth transition between stellar and substellar regimes -- unlike the transition between the NextGen models from Hauschildt et al. 1999a,b, and the AMES-Dusty models from Allard et al. 2001). In the BDs regime, the BT-Settl models propose an improved explanation for the M-L-T spectral transition. In this paper, we therefore present the new BT-Settl model atmosphere grid, which explains the entire transition from the stellar to planetary mass regimes.

研究动机与目标

• 开发一个覆盖从极低质量恒星到棕矮星完整过渡的统一模型大气网格，解决以往恒星与亚恒星模型之间缺乏连续性的问题。
• 通过引入更新的水汽吸收截面和修订的太阳元素丰度，解决合成光谱中长期存在的K波段过透明问题。
• 通过包含辐射流体动力学、重力波和输运混合效应，实现对云形成与大气动力学的逼真建模。
• 通过将过饱和、凝结和沉降物理过程整合到大气结构中，实现对极低质量恒星和棕矮星的精确光谱合成。

提出的方法

• 利用二维辐射流体动力学（RHD）模拟来建模大气动力学，包括重力波和对流运动，覆盖有效温度范围（2800–900 K）。
• 采用BT2水汽吸收截面列表（Barber et al. 2006）和Asplund et al.（2009）提供的更新太阳元素丰度，与先前模型相比，将氧元素丰度降低0.3 dex。
• 基于Rossow（1978）的凝结与沉降 timescales 开发云模型，通过预先计算的平衡化学数据确定过饱和压力，以确保尘埃形成的准确性。
• 逐层向内求解云和化学模型，以模拟大气冷却过程中颗粒物种（如橄榄石）的顺序形成。
• 利用RHD模拟获得的速度场校准微湍流、扩散系数和输运混合参数，结果显示其对重力的依赖性较弱。
• 使用Phoenix大气模型代码和完整的非灰辐射转移，生成了Teff = 400–100,000 K、logg = -0.5至5.5、[M/H] = -1.5至+0.5的BT-Settl模型网格。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过物理解释一致的过渡，使模型大气能够跨越极低质量恒星与棕矮星之间的鸿沟？
• RQ2 重力波和输运混合在冷却、多尘大气中云层形成与大气结构塑造中起到何种作用？
• RQ3 更新的太阳元素丰度（Asplund et al. 2009）在多大程度上改善了对极低质量恒星观测光谱能量分布的再现？
• RQ4 为何以往模型（如NextGen和AMES-Dusty）无法准确再现K波段流量，并在M-L-T序列中表现出不连续性？
• RQ5 如何通过整合过饱和与沉降过程的动态云模型，准确再现L型与T型棕矮星的观测颜色与光谱特征？

主要发现

• BT-Settl模型在近红外至光学波段范围内，与M6型矮星GJ 866的观测光谱能量分布（SED）近乎完美吻合，尤其在约0.99 μm处的FeH翼-福特带表现突出。
• 新太阳元素丰度（Asplund et al. 2009）将氧元素丰度降低0.3 dex，解决了长期存在的K波段过透明问题，实现了对流量的精确再现。
• 在二维RHD模拟中识别出的重力波驱动了非均匀云层的形成，其结果速度场被用于参数化模型网格中的微湍流和输运混合。
• 模型成功再现了M-L-T光谱过渡，显示出从多尘M型矮星到清晰T型矮星的平滑演化，晚期L型与T型因云层沉降和偏离平衡态的化学过程而呈现蓝化趋势。
• 首次实现极低质量恒星与棕矮星的合成光谱在无需流量调整的情况下与观测SED完全匹配，包括VB10的红外光谱，证明了更新的吸收截面与元素丰度处理的稳健性。
• BT-Settl网格提供了从100,000 K至400 K的连续、物理解释充分的模型序列，星体与亚恒星区域之间无任何不连续性，优于以往的模型集合。