[论文解读] Nitrogen line spectroscopy of O-stars -- I. Nitrogen III emission line formation revisited

J. G. Rivero González, J. Puls+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 58被引用 38

一句话总结

本研究使用 fastwind 代码中的非局部热动平衡（NLTE）辐射转移方法，重新审视了O型星中光学N III发射线的形成机制，表明风驱动的速度场而非双电子复合主导了三重线发射。关键发现是风强度控制着发射强度，使得N III线可作为独立于团块化或X射线效应的质量损失率诊断工具。

ABSTRACT

This is the first paper in a series dealing with optical Nitrogen spectroscopy of O-type stars, aiming at the analysis of Nitrogen abundances. We implemented a new Nitrogen model atom into the NLTE atmosphere/spectrum synthesis code FASTWIND, and compare the resulting optical NIII lines at 4634/40/42 A with other predictions, mostly from Mihalas & Hummer (1973, ApJ 179, 827,`MH'), and from the alternative code CMFGEN. Using similar model atmospheres as MH (not blanketed and wind-free), we are able to reproduce their results, in particular the triplet emission lines. According to MH, these should be strongly related to dielectronic recombination (DR) and the drain by certain two-electron transitions. However, using realistic, fully line-blanketed atmospheres at solar abundances, the key role of DR controlling these emission features is superseded -- for O-star conditions -- by the strength of the stellar wind and metallicity. In the case of wind-free models, the resulting lower ionizing EUV-fluxes severely suppress the emission. As the mass-loss rate is increased, pumping through the NIII resonance line(s) in the presence of a near-photospheric velocity field results in a net optical triplet line emission. A comparison with results from CMFGEN is mostly satisfactory, except for the range 30 kK < Teff < 35 kK, where CMFGEN triggers the triplet emission at lower Teff than FASTWIND. This effect could be traced down to line overlap effects between the NIII and OIII resonance lines that so far cannot be simulated by FASTWIND. Since the efficiency of DR and `two electron drain' strongly depends on the degree of line-blanketing/-blocking, we predict the emission to become stronger in a metal-poor environment, though lower wind-strengths and Nitrogen abundances might counteract this effect. Weak winded stars should display less triplet emission than stars with `normal' winds.

研究动机与目标

• 研究O型星中光学N III发射线（λλ4634–4642）的形成机制，这对分类‘f’型形态至关重要。
• 检验在真实O型星条件下，双电子复合还是恒星风效应主导了这些线的激发。
• 评估N III三重线在大质量恒星中（尤其是金属丰度较低的环境）推导氮元素丰度的可靠性。
• 解决fastwind与cmfgen模型在30,000–35,000 K范围内对N III发射预测的差异，特别是由于与O III共振线重叠所致。
• 评估N III三重线发射作为恒星质量损失率独立诊断工具的潜力，尤其在弱风星中。

提出的方法

• 在NLTE大气/光谱合成代码fastwind中，实现了新的、完全包含线致遮蔽的N III模型原子。
• 在相同的模型大气（无遮蔽、无风）条件下，将合成的N III光谱与Mihalas & Hummer（1973）及cmfgen代码的预测结果进行比较。
• 采用Swings机制（在速度场中的共振线泵浦）来模拟风引起的速度结构如何激发N III三重线。
• 量化了重叠的O III共振线对N III源函数的影响，特别是在30,000–35,000 K范围内。
• 通过在cmfgen中人工降低O III振子强度，测试了氧丰度变化对影响的敏感性，确认线重叠效应对丰度变化具有鲁棒性。
• 评估了极紫外（EUV）线遮蔽在抑制双电子复合效率方面的作用，特别是在金属丰度较高与较低的环境中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在O型星中，哪种物理机制——双电子复合还是风驱动泵浦——主导了N III光学三重线发射的形成？
• RQ2 线致遮蔽如何影响双电子复合的效率以及由此产生的N III发射强度？
• RQ3 为何fastwind与cmfgen模型在30,000–35,000 K范围内对N III三重线发射的起始温度预测存在差异？这是否可归因于未解析的O III线重叠？
• RQ4 N III三重线发射强度能否作为恒星质量损失率的可靠、独立诊断工具，特别是在弱风星中？
• RQ5 在金属丰度影响下，N III三重线发射如何变化？这涉及EUV遮蔽减少（增强发射）与基底氮丰度降低之间的竞争效应。

主要发现

• 在真实的、包含线致遮蔽的O型星大气中，通过Swings机制的风驱动泵浦主导了N III三重线发射，其作用超越了双电子复合，成为主要激发机制。
• 无风或弱风模型中，N III三重线发射显著被抑制，原因在于电离EUV辐射通量减少以及缺乏速度场泵浦。
• 在源函数中引入重叠的O III共振线，增强了对N III 3d能级的有效泵浦，使强发射的起始温度低于孤立N III模型的预测值。
• fastwind与cmfgen在30,000–35,000 K范围内的差异可归因于未解析的线重叠效应，而非模型的根本性差异。
• 在cmfgen中将O III振子强度人工降低50倍后，对耦合源函数或发射强度无影响，证实线重叠效应具有鲁棒性，且对氧丰度变化不敏感。
• 由于EUV线遮蔽减少，N III三重线发射在金属贫乏环境（如大麦哲伦云，Z/Z⊙ ≈ 0.2）中被预测更强，尽管这可能被更低的质量损失率和氮丰度所抵消。