[论文解读] Bright OB stars in the Galaxy.II. Wind variability in O supergiants as traced by H-alpha

N. Markova, J. Puls+2 more|ArXiv.org|May 31, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用 41

一句话总结

本研究利用Hα线轮廓变异（LPV）的时域方差谱（TVS）分析，调查了15颗O型超巨星的风变异性，结果表明所有恒星均表现出显著的LPV，且主要由风过程主导。结果表明Hα变化发生在1.5 R⋆以内，暗示质量损失率变化为±4%（强风）至±16%（弱风），尽管存在局部散射，但对风动量-光度关系（WLR）的影响微乎其微。

ABSTRACT

We investigate the line-profile variability (lpv) of H-alpha for a large sample of O-type supergiants. We used the Temporal Variance Spectrum (TVS) analysis, developed by Fullerton et al 1996 and modified by us to take into account the effects of wind emission. By means of a comparative analysis we put a number of constraints on the properties of the variability as a function of stellar and wind parameters. The results of our analysis show that all the stars in the sample show evidence of significant lpv in H-alpha, mostly dominated by processes in the wind. The variations occur between zero and 0.3 v_inf (i.e., below ~1.5 R_star), in good agreement with the results from similar studies. A comparison between observations and line-profile simulations indicates that for stars with intermediate wind densities the H-alpha variability can be explained by simple models, consisting of coherent or broken shells (blobs) uniformly distributed over the wind volume, with an intrinsic scatter in the maximum density contrast of about a factor of two. For stars at lower and higher wind densities, on the other hand, we found certain inconsistencies between observations and our predictions, most importantly concerning the mean amplitude and the symmetry properties of the TVS. This disagreement might be explained with the presence of coherent large-scale structures, partly confined in a volume close to the star. Interpreted in terms of a variable mass-loss rate, the observed variations of H-alpha indicate changes of 4% with respect to the mean value of M_dot for stars with stronger winds and of 16% for stars with weaker winds. The effect of these variations on the corresponding wind momenta is rather insignificant (<0.16 dex), increasing the local scatter without affecting the Wind Momentum Luminosity Relationship.

研究动机与目标

• 调查O型超巨星样本中Hα线轮廓变异（LPV）的性质与起源，样本具有统计稳健性。
• 确定通过TVS量化的风变异性如何依赖于恒星与风参数，如光度、光谱型和质量损失率。
• 评估观测到的LPV是否能通过风中均匀分布的相干或断裂壳层（团块）的简单模型解释，并识别极端风密度区域中的差异。
• 评估风变异性对风动量-光度关系（WLR）的影响，特别是其是否影响基本概念，或仅导致图中局部散射。
• 通过比较不同历元的Hα轮廓，检查长期大气变异性是否存在。

提出的方法

• 对15颗O超巨星的高信噪比、高分辨率光谱采用时域方差谱（TVS）分析——该方法经调整以处理风发射特征。
• 计算Hα LPV的平均值与相对振幅，以量化变异性强度及其对风密度和恒星参数的依赖性。
• 对均匀分布在风中的相干壳层与断裂壳层（团块）结构进行一维和二维模拟，以建模观测到的TVS轮廓。
• 将观测到的TVS轮廓与模拟轮廓进行比较，允许最大密度对比度存在±2倍的散射，以考虑内在变异性。
• 将观测到的Hα变异性解释为随时间变化的质量损失率（Ṁ），估算观测间隔内Ṁ最大值与最小值的振幅与比值。
• 评估变异性对风动量率的影响，将观测到的散射与理论预期及先前研究（如Kudritzki 1999）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 O型超巨星中Hα线轮廓变异性在空间范围和速度范围如何？其与风结构有何关联？
• RQ2 观测到的Hα LPV在多大程度上能通过风中均匀分布的相干或碎片化壳层（团块）的简单模型解释？
• RQ3 为何在极低和极高风密度区域，观测到的TVS与模拟轮廓之间存在差异，特别是在对称性和振幅方面？
• RQ4 观测到的Hα变化如何转化为随时间变化的质量损失率？这些变化的典型振幅是多少？
• RQ5 风变异性是否显著影响风动量-光度关系（WLR）？还是仅导致图中局部散射？

主要发现

• 样本中全部15颗O型超巨星均表现出显著的Hα线轮廓变异性，主要由发生在1.5 R⋆以内（低于0.3 v∞）的风过程驱动。
• 对于风密度适中的恒星，Hα LPV可由均匀分布的相干或断裂壳层模型良好解释，最大密度对比度的散射约为两倍。
• 低密度与高密度区域的差异表明，恒星附近存在大尺度、相干且空间受限的结构（如CIRs），这些结构未被均匀壳层模型捕捉。
• Hα变异性暗示质量损失率随时间变化，强风恒星的平均值周围变化为±4%，弱风恒星为±16%，样本中最大/最小Ṁ的平均比值为1.22。
• 变异性对风动量率的影响小于0.16 dex，表明对风动量-光度关系（WLR）无显著影响，尽管可能增加图中的局部散射。
• Hα轮廓在数十年尺度上无长期变异性，因与早期观测的轮廓一致，表明恒星大气在本研究时间尺度内稳定。