[论文解读] Profile Shapes for Optically Thick X-ray Emission Lines from Stellar Winds

Richard Ignace, K. G. Gayley|Nov 28, 2001

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 15

一句话总结

本文提出，恒星风中光学厚的共振散射会改变X射线发射线轮廓，使其对称性高于标准的光学薄模型。在球对称、恒定膨胀风中应用Sobolev理论，推导出一种解析轮廓形状，其在高光学深度极限下预测中心波长偏移为−0.24 v∞，半高全宽（HWHM）为0.63 v∞，从而解释了部分O型星中观测到的X射线线对称性。

ABSTRACT

We consider the consequences of appreciable line optical depth for the profile shape of X-ray emission lines formed in stellar winds. The hot gas is thought to arise in distributed wind shocks, and the line formation is predominantly via collisional excitation followed by radiative decay. Such lines are often modelled as optically thin, but the theory has difficulty matching resolved X-ray line profiles. We suggest that for strong lines of abundant metals, newly created photons may undergo resonance scattering, modifying the emergent profile. Using Sobolev theory in a spherically symmetric wind, we show that thick-line resonance scattering leads to emission profiles that still have blueshifted centroids like the thin lines, but which are considerably less asymmetric in appearance. We focus on winds in the constant-expansion domain, and derive an analytic form for the profile shape in the limit of large line and photoabsorptive optical depths. Our theory is applied to published {\it Chandra} observations of the O star $ζ$ Pup.

研究动机与目标

• 解决O型星中观测到的对称X射线发射线与标准光学薄风激波模型预期的不对称轮廓之间的差异。
• 研究光学厚度效应（尤其是共振散射）如何改变恒星风中出射线轮廓的形状。
• 推导在恒定膨胀风中高光学厚度极限下的线轮廓解析表达式。
• 检验光学厚度效应是否能解释ζ Ori、θ¹ Ori C和δ Ori等恒星中观测到的线对称性，这些恒星的标准模型失效。
• 评估连续谱再吸收在进一步降低光学厚线的不对称性和等效宽度方面的作用。

提出的方法

• 应用Sobolev理论，对具有光学厚线的球对称、恒定膨胀恒星风中的辐射转移进行建模。
• 在大线光学厚度和光吸收光学厚度的极限下，推导出由于厚共振散射导致的出射线轮廓形状。
• 利用Sobolev近似计算风中的源函数和光学厚度，考虑速度相关的线形成过程。
• 考虑连续谱不透明度对多次散射光子的再吸收影响，这可能进一步抑制不对称性。
• 将理论预测与Chandra对ζ Pup五条X射线发射线的观测结果进行比较，重点关注中心波长偏移和HWHM。
• 评估微湍流运动和风结构（如孔隙度）对线轮廓形态的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学厚共振散射能否解释O型星（如ζ Ori、θ¹ Ori C和δ Ori）中观测到的X射线发射线对称性？
• RQ2 在恒定膨胀风中，当线为光学厚时，出射X射线线轮廓的解析形式是什么？
• RQ3 光学厚度和连续谱不透明度引起的再吸收如何影响X射线发射线的不对称性和等效宽度？
• RQ4 为何一些O型星（如ζ Pup）表现出不对称线，而另一些（如ζ Ori）却表现出对称线，尽管它们具有相似的风激波起源？
• RQ5 光学厚度效应在多大程度上能解决从O型星ASCA X射线谱中推断出的亚太阳金属丰度问题？

主要发现

• 在高光学厚度极限下，出射X射线发射线轮廓简化为一种普遍形状，其中心波长偏移为−0.24 v∞，半高全宽（HWHM）为0.63 v∞。
• ζ Pup五条X射线线的观测HWHM略小于理论预测值，但所有五条线的中心波长偏移均与理论预测一致。
• 光学厚度效应，特别是厚线共振散射，相比光学薄情况显著降低了发射线的不对称性，使轮廓更少偏斜。
• 在高度光学厚的线中，连续谱不透明度引起的再吸收可进一步降低不对称性，并使线等效宽度最多抑制40%，前提是微湍流速度达到0.25 v∞。
• ζ Ori、θ¹ Ori C和δ Ori中观测到的对称线可能由光学厚度效应解释，但对未偏移的峰值发射仍需其他解释。
• 该模型表明，标准光学薄风激波范式对ζ Pup仍可能成立，但光学厚度效应对于解释其他O型星中的对称线至关重要。