[论文解读] The Wind Momentum - Luminosity Relationship of Galactic A- and B- Supergiants

R. P. Kudritzki, J. Puls+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 24

一句话总结

该论文利用非局部热动平衡（NLTE）统一模型大气，分析巴尔末线轮廓，建立了银河系A型和B型超巨星的风动量-光度关系（WLR）。研究发现，风动量在O型超巨星中达到峰值，从中早B型到中B型逐渐减小，随后在A型超巨星中再次增加；A型和中B型超巨星的WLR斜率比O型星更陡，表明辐射驱动风中存在与电离状态相关的谱线强度效应。

ABSTRACT

The Balmer lines of four A Ia - supergiants (spectral type A0 to A3) and fourteen B Ia and Ib - supergiants (spectral type B0 to B3) in the solar neighbourhood are analyzed by means of NLTE unified model atmospheres to determine the properties of their stellar winds, in particular their wind momenta. As in previous work for O-stars (Puls et al.) a tight relationship between stellar wind momentum and luminosity (`WLR'') is found. However, the WLR varies as function of spectral type. Wind momenta are strongest for O-supergiants, then decrease from early B (B0 and B1) to mid B (B1.5 to B3) spectral types and become stronger again for A-supergiants. The slope of the WLR appears to be steeper for A- and mid B-supergiants than for O-supergiants. The spectral type dependence is interpreted as an effect of ionization changing the effective number and the line strength distribution function of spectral lines absorbing photon momentum around the stellar flux maximum. This interpretation needs to be confirmed by theoretical calculations for radiation driven winds. A-supergiants in M31 observed with HIRES at the Keck telescope have wind momenta compatible with their galactic counterparts. The potential of the WLR as a new, independent extragalactic distance indicator is discussed. It is concluded that with ten to twenty objects, photometry with HST and medium resolution spectroscopy with 8m-telescopes from the ground distance moduli can be obtained with an accuracy of about 0.1m out to the Virgo and Fornax clusters of galaxies.

研究动机与目标

• 研究明亮的A型和B型超巨星是否遵循与O型星相似的风动量-光度关系（WLR）。
• 利用附近超巨星的光谱数据，确定是否可对晚型光谱（A型和B型）的WLR进行校准。
• 评估WLR作为新的、独立的河外距离指示器的潜力，使用最明亮的“正常”蓝超巨星。
• 研究光谱型、金属丰度和风变异性对WLR可靠性与离散度的影响。
• 利用未来8米级望远镜的观测数据，评估WLR在河外系统中的适用性，特别是超出本星系群的区域。

提出的方法

• 利用非局部热动平衡（NLTE）统一模型大气，分析18颗A型和B型超巨星的巴尔末线轮廓（Hα、Hβ、Hγ）。
• 通过将合成线轮廓拟合到实测光谱，推导出风动量（$\dot{M}v_{\infty}$），并考虑辐射转移和线致吸收效应。
• 采用理论WLR框架 $\dot{M}v_{\infty} \propto R_{\ast}^{-1/2}L^{1/\alpha_{\rm eff}}$，其中 $\alpha_{\rm eff}$ 反映谱线强度分布函数。
• 将实测风动量与从O型星和“枪手星”（Pistol-Star）外推得到的WLR进行比较，评估一致性与偏差。
• 利用选定A型超巨星（如HD 92207）的时间序列数据，评估光谱变异性对风动量的影响。
• 利用M33中金属丰度各异的A型超巨星，评估金属丰度依赖性，并结合未来对大、小麦哲伦星云和M31的巡天调查。

实验结果

研究问题

• RQ1 A型和B型超巨星是否存在风动量-光度关系（WLR）？其与O型星的WLR相比有何异同？
• RQ2 WLR如何随光谱型变化？其变化背后的物理机制（如电离态、线强度分布）是什么？
• RQ3 光谱变异性与金属丰度在多大程度上影响WLR作为距离指示器的离散度与可靠性？
• RQ4 WLR能否外推至极端天体（如“枪手星”和大质量蓝变星P Cygni）？其偏差意味着什么？
• RQ5 WLR能否作为河外星系（特别是本星系群以外）的可行、独立距离指示器？

主要发现

• 银河系A型和B型超巨星的风动量-光度关系（WLR）被证实为紧密关系，风动量在光谱型上呈现非单调变化趋势。
• 风动量在O型超巨星中最强，从中早B型（B0–B1）到中B型（B1.5–B3）逐渐减小，随后在A型超巨星（A0–A3）中再次增加，表明风强度具有光谱型依赖性。
• A型和中B型超巨星的WLR斜率比O型星更陡，暗示由于电离态变化导致有效线强度分布函数存在差异。
• “枪手星”（Pistol-Star），一颗中B型特超巨星，位于中B型超巨星外推的WLR上，支持该关系在高光度区的稳健性。
• P Cygni，一颗中B型超巨星且质量损失极端，其风动量比“正常”超巨星的WLR高出1.2 dex，归因于接近爱丁顿极限时的风双稳态效应。
• M31中A型超巨星的风动量与银河系同类天体一致，支持WLR在银河系与M31之间的普适性。