[논문 리뷰] Three Dimensional Radiation Hydrodynamic Simulations of Massive Star Envelopes

Yan-Fei Jiang, Matteo Cantiello외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 26.

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

한 줄 요약

이 연구는 최신 초고성능 컴퓨터를 활용하여 거대 항성의 대기권을 3차원 복사유체역학 시뮬레이션으로 수행하며, 초에드링턴 빛의 세기에서 발생하는 복사압이 자동으로 루미노스 블루 변수(LBVs)의 간헐적 질량 손실과 변동성을 이끌어낸다는 것을 입증한다. 시뮬레이션은 관측된 허츠프루ング-라수스도 위치, 연간 질량 손실률 10⁻⁷–10⁻⁵ M☉/yr, 1–3일 단위의 10–30% 밝기 변화를 재현하며, 1차원 모델에서 포착되지 않은 헬륨 투과도가 핵심적인 역할을 한다.

ABSTRACT

(Abridged) Stars more massive than $20-30M_{\odot}$ are so luminous that the radiation force on the cooler, more opaque outer layers can balance or exceed the force of gravity. These near or super-Eddington outer envelopes represent a long standing challenge for calculating the evolution of massive stars in one dimension, a situation that limits our understanding of the stellar progenitors of some of the most exciting and energetic explosions in the universe. In particular, the proximity to the Eddington limit has been the suspected cause for the variability, large mass loss rate and giant eruptions of an enigmatic class of massive stars: the luminous blue variables (LBVs). When in quiescence, LBVs are usually found on the hot ($T_{eff} \approx 2 - 4 imes 10^4$ K) S Dor instability strip. While in outburst, most LBVs stay on the cold S Dor instability strip with a $T_{eff} \approx 9000$ K. Here we show that physically realistic three dimensional global radiation hydrodynamic simulations of radiation dominated massive stars with the largest supercomputers in the world naturally reproduce many observed properties of LBVs, specifically their location in the Hertzsprung-Russell (HR) diagram and their episodic mass loss with rates of $10^{-7}-10^{-5} M_{\odot}/yr$. The helium opacity peak is found to play an important role to determine these properties, which is not realized in the traditional one dimensional models of massive stars. The simulations also predict that convection causes irregular envelope oscillations and 10-30% brightness variations on a typical timescale of a few days. The variability is more prominent in our models that are on the cool part of the S Dor instability. These calculations pave the way to a quantitative understanding of the structure, stability and the dominant mode of mass loss of massive stars.

연구 동기 및 목표

• 초에드링턴 한계 근처 또는 이를 초월하는 거대 항성 대기권을 시뮬레이션하는 데 있어 1차원 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 빛나는_BLUE_VARIABLE_(LBVs)에서 관측된 간헐적 질량 손실과 빛의 세기 변동성의 물리적 메커니즘을 조사하기 위해.
• 복사압과 투과도(특히 헬륨 피크)가 대기권의 역학적 구조와 안정성에 미치는 역할을 규명하기 위해.
• LBV 행동의 물리적으로 일관된 3차원 설명을 제공하여, 허츠프루ング-라수스도 내 위치와 관측된 질량 손실률을 포함하기 위해.
• 대류와 복사의 결합이 거대 항성 대기권에서 비정기적인 진동과 밝기 변화를 어떻게 유도하는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 세계 최대의 초고성능 컴퓨터를 사용하여 CASTRO 코드를 활용한 3차원 복사유체역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 시뮬레이션은 복사압 지배 상태에서 시간에 따라 변화하는 유체역학 방정식과 복사 전달을 결합하여 해결한다.
• 복사압은 복사 전달을 위한 주파수 평균화된 유속 제한 확산 근사법을 사용하여 계산된다.
• 투과도는 헬륨 재결합 피크를 현실적으로 처리하며, 이는 에너지 전달과 안정성에 중대한 영향을 미친다.
• 모델는 초에드링턴 한계 근처의 거대 항성 대기권 구조로 초기화되며, 다양한 초기 온도와 밀도를 가진다.
• 시뮬레이션은 대기권의 진화를 여러 동역학적 시간 스케일에 걸쳐 추적하여 일시적이고 비선형적인 행동을 포착한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 복사유체역학 시뮬레이션은 어떻게 LBV의 관측된 허츠프루ング-라수스도 위치를 재현하는가?
• RQ2 왜 거대 항성에서 10⁻⁷–10⁻⁵ M☉/yr의 간헐적 질량 손실률이 발생하는가?
• RQ3 왜 LBV는 몇 일 내외의 시간 스케일에서 10–30%의 밝기 변화를 보이며, 이는 대류와 복사압과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 헬륨 투과도 피크는 초에드링턴 항성의 대기권 안정성과 역학에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 3차원 시뮬레이션은 1차원 모델이 초에드링턴 한계 근처 거대 항성 대기권의 진짜 행동을 포착하지 못하는 한계를 어떻게 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션은 특히 차가운 S Dor 불안정성 스트립에 위치한 LBV의 관측된 위치를 성공적으로 재현하였다.
• 복사압과 대류 불안정성에 의해 10⁻⁷에서 10⁻⁵ M☉/yr 사이의 간헐적 질량 손실률이 자연스럽게 생성된다.
• 대류와 복사 결합에 의해 유도되는 비정규적인 대기권 진동으로 인해 1–3일 내외의 시간 스케일에서 10–30%의 밝기 변화가 발생한다.
• 헬륨 투과도 피크는 거대 항성 대기권의 구조와 안정성 결정에 핵심적인 요소로 규명되었으며, 이는 1차원 모델에선 존재하지 않는다.
• 대류는 특히 S Dor 불안정성 스트립의 차가운 쪽에 위치한 모델에서 비정기적이고 비주기적인 변동성의 주요 원인으로 작용한다.
• 시뮬레이션은 3차원 효과, 특히 복사-대류 상호작용이 거대 항성 진화와 질량 손실에 대해 현실적인 이해를 위해 필수적임을 입증한다.