[论文解读] Ionization structure in the winds of B[e] supergiants II. Influence of rotation on the formation of equatorial hydrogen neutral zones

M. Kraus|ArXiv.org|May 5, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 22被引用 11

一句话总结

本研究探讨了B[e]超巨星中快速自转如何通过改变电离结构，促进恒星赤道附近氢中性区的形成。通过在赤道平面内采用1D电离平衡计算并结合2D辐射场建模，发现当自转速度超过临界速度的80%且质量损失率超过5×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹时，氢会在恒星表面或其附近重新结合，表明这是一种无需额外密度增强即可形成中性赤道盘的可行机制。

ABSTRACT

Context: B[e] supergiants are known to have non-spherical winds, and the existence of disks that are neutral in hydrogen close to their stellar surface has been postulated. A suitable mechanism to produce non-spherical winds seems to be rapid rotation, and at least for three B[e] supergiants in the Magellanic Clouds rotation velocities at a substantial fraction of their critical velocity have been found. Aims: We want to find suitable recombination distances in the equatorial plane of rapidly rotating stars that explain the observed huge amounts of neutral material in the vicinity of B[e] supergiants. Methods: We perform ionization structure calculations in the equatorial plane around rapidly rotating luminous supergiants. The restriction to the equatorial plane allows us to treat the ionization balance equations 1-dimensionally, while the stellar radiation field is calculated 2-dimensionally, taking into account the latitudinal variation of the stellar surface parameters. The stellar parameters used correspond to those known for B[e] supergiants. The assumptions made in the computations all have in common that the total number of available ionizing photons at any location within the equatorial plane is overestimated, resulting in upper limits for the recombination distances. Results: We find that despite the drop in equatorial surface density of rapidly rotating stars (neglecting effects like bi-stability and/or wind compression), hydrogen and helium recombine at or close to the stellar surface, for mass loss rates Mdot > 5d-5 M_sun/yr and rotation speeds in excess of v(rot,eq)/v(crit)=0.8.

研究动机与目标

• 确定B[e]超巨星中的快速自转是否能自然地在恒星表面附近产生氢中性区。
• 评估自转对赤道风平面电离结构的影响，重点关注再结合距离。
• 评估B[e]超巨星中观测到的质量损失率和自转速度是否足以维持赤道区域的中性氢。
• 检验在高估电离光子可用性的保守假设下，中性盘形成的鲁棒性。

提出的方法

• 在赤道平面沿1D求解电离平衡方程，假设辐射场呈球对称，但恒星参数随纬度变化。
• 在2D中计算恒星辐射场，以考虑重力变暗效应及有效温度和表面重力的纬向变化。
• 采用B[e]超巨星典型的恒星参数：光度、半径及与观测值一致的风特性。
• 假设为纯氢-氦风，不考虑双稳态或风压缩引起的初始密度增强。
• 在每个位置高估可用电离光子数量，以计算再结合距离的上限。
• 评估再结合距离随自转速度（v_rot/v_crit）和质量通量（F_m,pole）的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 B[e]超巨星中的快速自转是否能导致赤道平面恒星表面或其附近发生氢再结合？
• RQ2 形成靠近恒星的中性氢所需的最小质量损失率和自转速度是多少？
• RQ3 重力变暗及由此引起的有效温度纬向变化如何影响赤道风中的电离平衡？
• RQ4 保守假设（高估电离光子）在多大程度上影响预测的再结合距离？
• RQ5 B[e]超巨星中观测到的质量损失率和自转速度范围是否足以解释其星周盘中中性物质的存在？

主要发现

• 在快速自转的B[e]超巨星中，即使由于自转导致赤道表面密度降低，氢仍会在恒星表面或其附近发生再结合。
• 当自转速度超过临界速度的80%（v_rot/v_crit ≥ 0.8）且极向质量通量超过1.5×10⁻⁵ g s⁻¹ cm⁻²时，氢会在表面附近重新结合。
• 这对应于至少5×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹的质量损失率，处于B[e]超巨星观测范围（10⁻⁵ 至 10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹）内。
• 当电离光子可用性被高估时，再结合距离会向更大半径推移，因此实际再结合距离预计会更靠近恒星。
• 结果表明，仅靠自转本身，无需额外机制（如双稳态或风压缩），即可解释B[e]超巨星中赤道中性物质的形成。
• 研究结果支持自转是解释B[e]超巨星星周盘中观测到的中性氢区的充分机制这一观点。