[论文解读] Axi-symmetric Models of B[e] Supergiants: I. The Effective Temperature and Mass-loss Dependence of the Hydrogen and Helium Ionization Structure

J. Zsargó, D. J. Hillier+1 more|ArXiv.org|Dec 6, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 36被引用 15

一句话总结

本研究使用 ASTAROTH 代码进行二维非局部热动平衡辐射转移模拟，模拟轴对称 B[e] 重超巨星包层中氢和氦的电离状态，结果表明：只有在极端条件（Ṁ > 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹ 且 T_eff ≤ 18,000 K）下，中性氢盘才会形成，且仅在 ~3 R* 之外；激发态氢的电离显著抑制了中性 H，挑战了早期的解析模型。模拟的 Hα 和 C IV 轮廓再现了双峰发射和弱紫外共振线等关键观测特征。

ABSTRACT

We calculate the hydrogen and helium ionization in B[e] envelopes and explore their dependence on mass-loss and effective temperature. We also present simulated observations of the Halpha emission line and the C IV 1550 doublet, and study their behavior. This paper reports our first results in an ongoing study of B[e] supergiants, and provides a glimpse on the ionization of the most important elements in self-consistent numerical simulations. Our newly developed 2D stellar atmosphere code, ASTAROTH, was used for the numerical simulations. The code self-consistently solves for the continuum radiation, non-LTE level populations, and electron temperature in axi-symmetric stellar envelopes. Observed profiles were calculated by an auxiliary program developed separately from ASTAROTH. In all but one of our models, H remained fully ionized. Due to ionizations from excited states it is much more difficult to get a H neutral disk than indicated by previous analytical calculations. Near the poles, the ionization is high in all models, while helium recombined in the equatorial regions for all but our lowest mass-loss rate. Although the model parameters were not adjusted to provide fits to any particular star, the theoretical profiles show some features seen in the profiles of R126. These include the partially resolved double peaked profile of Halpha, and the weak emission associated with the UV C IV resonance line.

研究动机与目标

• 研究轴对称 B[e] 重超巨星包层中氢和氦电离结构对有效温度和质量损失率的依赖关系。
• 评估先前解析模型的局限性，这些模型忽略了激发态氢的电离作用。
• 模拟可观测的谱线特征（如 Hα 和 C IV λλ1550 轮廓），并与实际恒星（如 R126）进行比较。
• 探讨不同包层结构（如开普勒盘与双稳定性）在解释观测到的电离状态和发射线行为方面的可行性。
• 为未来利用改进的二维模型（包含旋转和谱线遮蔽效应）对 LMC/SMC sgB[e] 恒星进行光谱分析奠定基础。

提出的方法

• 采用 ASTAROTH 二维恒星大气代码，自洽求解轴对称包层中的连续辐射、非局部热动平衡能级分布和电子温度。
• 使用二维网格模拟恒星风和赤道盘结构，参数涵盖不同的有效温度（T_eff）和质量损失率（Ṁ）。
• 通过独立的辅助程序计算出射光谱，生成 Hα 和 C IV λλ1550 的合成线轮廓。
• 应用非局部热动平衡辐射转移方法计算电离结构，考虑氢和氦激发态的电离贡献。
• 探索了 sgB[e] 恒星性质的上半部分参数空间，包括高 Ṁ 和低 T_eff 的区域。
• 将理论轮廓与 R126 的实测光谱进行对比，以评估模型的真实性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，B[e] 重超巨星包层中会形成中性氢盘？其与 T_eff 和 Ṁ 的关系如何？
• RQ2 在轴对称模型中，氢和氦的电离状态如何随纬度和半径变化？
• RQ3 为何先前的解析模型高估了中性氢区的范围，而自洽模拟结果则不然？
• RQ4 模拟的 Hα 和 C IV λλ1550 轮廓在多大程度上再现了 R126 中观测到的特征？
• RQ5 激发态氢的电离在抑制盘中中性 H 的形成过程中起何种作用？

主要发现

• 仅在一个模型中（Ṁ > 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹ 且 T_eff ≤ 18,000 K）形成中性氢盘，且仅在 ~3 R* 之外；该盘并未延伸至恒星表面。
• 激发态氢的电离强烈抑制了中性 H，使其形成比早期解析模型预测的要困难得多。
• 除最低质量损失率（Ṁ < 10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹）外，所有模型中氦在赤道平面上均保持复合状态，表明在大多数条件下存在中性氦盘。
• 所有模型中极区均高度电离，紫外波段观测到强烈的 C IV 发射线，与 P Cygni 轮廓一致。
• 模拟的 Hα 轮廓显示部分分辨的双峰结构，C IV 轮廓呈现弱发射，与 R126 中观测到的特征相符。
• Hα 发射强度与盘-风界面的投影面积成正比，表明 Hα 主要形成于赤道盘区域。