[论文解读] Extreme helium stars: non-LTE matters Helium and hydrogen spectra of the unique objects V652 Her and HD144941

N. Przybilla, K. Butler+2 more|CERN Bulletin|Oct 3, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 11被引用 23

一句话总结

本文表明，非局部热动平衡（non-LTE）效应对于极端氦星的精确光谱分析至关重要。采用先进的氦和氢非-LTE模型原子，并结合混合LTE/non-LTE方法，该研究解决了长期存在的谱线拟合与有效温度测定中的不一致问题，得出的氢丰度比以往的LTE估计值低至两倍，且与旧模型相比，He I λ10830 Å线在非-LTE下减弱了最多三倍。

ABSTRACT

Quantitative analyses of low-mass hydrogen-deficient (super-)giant stars - so-called extreme helium stars - to date face two major difficulties. First, theory fails to reproduce the observed helium lines in their entirety, wings and line cores. Second, a general mismatch exists for effective temperatures derived from ionization equilibria and from spectral energy distributions. Here, we demonstrate how the issue can be resolved using state-of-the-art non-LTE line-formation for these chemically peculiar objects. Two unique high-gravity B-type objects are discussed in detail, the pulsating variable V652 Her and the metal-poor star HD144941. In the first case atmospheric parameters from published LTE analyses are largely recovered, in the other a systematic offset is found. Hydrogen abundances are systematically smaller than previously reported, by up to a factor ~2. Extreme helium stars turn out to be important testbeds for non-LTE model atoms for helium. Improved non-LTE computations show that analyses assuming LTE or based on older non-LTE model atoms can predict equivalent widths, for the HeI 10830A transition in particular, in error by up to a factor ~3.

研究动机与目标

• 解决极端氦星（EHes）在谱线拟合和有效温度测定方面长期存在的不一致问题。
• 解决EHes中光谱测定与光谱测光测定的有效温度之间的不匹配问题。
• 检验LTE和旧版非-LTE氦模型原子在富氦、缺氢恒星大气中的可靠性。
• 提高化学异常B型星中元素丰度测定的准确性，特别是氢的丰度。
• 确立非-LTE作为极端氦星定量光谱学的必要框架，将其作为原子物理的试验平台。

提出的方法

• 采用混合方法：使用Atlas12计算的LTE、线致吸收模型大气，随后进行非-LTE谱合成。
• 使用最先进的氢（PB04）和氦（P05）非-LTE模型原子，整合从头算的电子碰撞激发数据。
• 对He I能级（特别是2s 3S能级）应用改进的光离化截面，以增强能量分布的拟合效果。
• 利用Detail和Surface代码求解耦合的辐射转移与统计平衡方程，以精确模拟谱线形成过程。
• 采用Barnard等人理论的线型展宽模型，并结合Dimitrijević与Sahal-Bréchot的更新数据，实现更真实的线型展宽。
• 将模型预测与紫外、可见光及近红外波段的观测光谱进行比较，包括IUE和J波段测光数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何LTE和旧版非-LTE模型无法再现极端氦星中观测到的氦和氢谱线轮廓？
• RQ2 非-LTE效应在多大程度上改变了关键氦线（特别是He I λ10830 Å）的等效宽度？
• RQ3 非-LTE修正如何影响极端氦星中推导出的有效温度和氢丰度？
• RQ4 非-LTE建模能否调和极端氦星中光谱测定与光谱测光测定的有效温度？
• RQ5 V652 Her和HD 144941的大气条件在多大程度上影响了氦线中非-LTE效应的强度？

主要发现

• 非-LTE效应显著减弱了He I λ10830 Å线，其等效宽度相比旧版非-LTE模型原子最多降低三倍。
• 通过非-LTE分析得出的氢丰度系统性地低于以往的LTE估计值，最多降低两倍。
• 新版非-LTE模型原子（P05）成功再现了V652 Her和HD 144941的整个观测谱线轮廓（包括线翼和线心）。
• 在考虑星际消光后，光谱测光能量分布与V652 Her的IUE、可见光和近红外通量拟合良好，对HD 144941的拟合也较为合理。
• Paschen系和Brackett系比Balmer系更接近详细平衡，表明Balmer系中非-LTE效应更强。
• 预测He I λ2059 μm跃迁在V652 Her中处于发射态，等效宽度约为-200 mÅ，凸显了近红外波段中强烈的非-LTE效应。