[论文解读] CMF models of hot star winds II. Reduction of O star wind mass-loss rates in global models

Jiřı́ Krtička, J. Kubát|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 82被引用 30

一句话总结

本研究采用共动参考系（CMF）辐射转移与非局部热动平衡（NLTE）动力学，构建了O型恒星风的全局自洽流体动力学模型，摒弃了Sobolev近似。模型预测的风质量损失率比以往估计低2–5倍，使理论预测与经微团块修正的实测数据相一致，凸显Sobolev近似是早期模型中质量损失率高估的关键原因。

ABSTRACT

We calculate global (unified) wind models of main-sequence, giant, and supergiant O stars from our Galaxy. The models are calculated by solving hydrodynamic, kinetic equilibrium (also known as NLTE) and comoving-frame (CMF) radiative transfer equations from the (nearly) hydrostatic photosphere to the supersonic wind. For given stellar parameters, our models predict the photosphere and wind structure and in particular the wind mass-loss rates without any free parameters. Our predicted mass-loss rates are by a factor of 2--5 lower than the commonly used predictions. A possible cause of the difference is abandoning of the Sobolev approximation for the calculation of the radiative force, because our models agree with predictions of CMF NLTE radiative transfer codes. Our predicted mass-loss rates agree nicely with the mass-loss rates derived from observed near-infrared and X-ray line profiles and are slightly lower than mass-loss rates derived from combined UV and H$α$ diagnostics. The empirical mass-loss rate estimates corrected for clumping may therefore be reconciled with theoretical predictions in such a way that the average ratio between individual mass-loss rate estimates is not higher than about $ 1.6 $. On the other hand, our predictions are by factor of $ 4.7 $ lower than pure H$α$ mass-loss rate estimates and can be reconciled with these values only assuming a microclumping factor of at least eight.

研究动机与目标

• 开发O型恒星的自洽全局风模型，同时求解流体动力学方程、NLTE动力学平衡方程与共动参考系（CMF）辐射转移方程。
• 解决理论质量损失率预测与紫外、Hα及X射线诊断所得实测估计之间长期存在的差异。
• 评估在辐射力计算中摒弃Sobolev近似对预测质量损失率的影响。
• 评估模型预测与经微团块修正的实测质量损失率的一致性。
• 确定是否可通过微团块因子修正Hα基质量损失率估计与理论预测之间的未解差异。

提出的方法

• 从光球层到超音速风区，求解流体动力学方程、NLTE动力学平衡方程与共动参考系（CMF）辐射转移方程。
• 使用CMF辐射转移计算辐射力，替代以往模型中采用的简化Sobolev近似。
• 利用CMF辐射场导出的NLTE能级分布，计算风区的电离与激发结构。
• 基于恒星参数（光度、半径、有效温度）自洽计算质量损失率，无需自由参数。
• 将模型预测的谱线轮廓与出射流量与观测结果对比，以验证风结构与质量损失率。
• 利用CMF平均辐射强度，检验在动力学平衡方程中用Sobolev近似处理束缚-束缚跃迁速率的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 全局CMF-NLTE风模型预测的质量损失率与紫外、Hα及X射线诊断所得实测估计相比如何？
• RQ2 用完整的CMF辐射转移替代Sobolev近似对预测辐射力与质量损失率有何影响？
• RQ3 是否可通过微团块因子修正Hα基质量损失率估计与理论预测之间的差异？
• RQ4 远紫外区域电离分数与辐射通量的差异在多大程度上影响模型预测？
• RQ5 团块形成位置（靠近光球层与外层风区）是否影响理论与实测质量损失率的一致性？

主要发现

• 预测的质量损失率比常用理论估计低2–5倍，主要归因于CMF方法在辐射力计算中替代Sobolev近似带来的改进。
• 模型预测与经微团块修正的实测质量损失率高度一致，不同诊断方法间的最大比值仅为1.6。
• 模型与基于X射线及近红外谱线轮廓推导的质量损失率一致，这些方法对团块效应不敏感。
• 与未经修正的Hα基估计（相差4.7倍）的差异仅在假设微团块因子至少为8时才能得到调和。
• 在动力学平衡方程中使用Sobolev近似处理束缚-束缚跃迁速率对最终质量损失率影响可忽略，支持其为计算效率而继续使用。
• 模型与CMFGEN代码的辐射力计算结果高度一致，证实CMF方法在线驱动风建模中的可靠性。