[论文解读] Three-dimensional modeling of ionized gas. II. Spectral energy distributions of massive and very massive stars in stationary and time-dependent modeling of the ionization of metals in HII regions

J. A. Weber, A. W. A. Pauldrach+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种具有时间依赖金属离子化的三维辐射转移模型，用于研究恒星谱能量分布（SEDs）如何影响电离HII区中的星云发射。利用0.1–2 Zsun金属度范围内的O型星SED网格，研究发现恒星金属度与气体金属度在准确诊断发射线比率方面具有同等重要性，而密度非均匀性对整体发射的影响较小。

ABSTRACT

HII regions play a crucial role in the measurement of the chemical composition of the interstellar medium and provide fundamental data about element abundances that constrain models of galactic chemical evolution. Discrepancies that still exist between observed emission line strengths and those predicted by nebular models can be partly attributed to the spectral energy distributions (SEDs) of the sources of ionizing radiation used in the models as well as simplifying assumptions made in nebular modeling. The influence of stellar metallicity on nebular line strength ratios, via its effect on the SEDs, is of similar importance as variations in the nebular metallicity. We have computed a grid of model atmosphere SEDs for massive and very massive O-type stars covering a range of metallicities from significantly subsolar (0.1 Zsun) to supersolar (2 Zsun). The SEDs have been computed using a state-of-the-art model atmosphere code that takes into account the attenuation of the ionizing flux by the spectral lines of all important elements and the hydrodynamics of the radiatively driven winds and their influence on the SEDs. For the assessment of the SEDs in nebular simulations we have developed a (heretofore not available) 3d radiative transfer code that includes a time-dependent treatment of the metal ionization. Using the SEDs in both 1d and 3d nebular models we explore the relative influence of stellar metallicity, gas metallicity, and inhomogeneity of the gas on the nebular ionization structure and emission line strengths. We find that stellar and gas metallicity are of similar importance for establishing the line strength ratios commonly used in nebular diagnostics, whereas inhomogeneity of the gas has only a subordinate influence on the global line emission.

研究动机与目标

• 解决观测到的HII区星云发射线强度与理论预测之间的差异。
• 量化恒星谱能量分布（SEDs）对星云电离结构和发射线强度的影响。
• 评估恒星金属度、气体金属度和密度非均匀性在塑造发射线比率中的相对作用。
• 开发一种用于星云环境中金属离子化的三维时间依赖辐射转移代码。
• 提供一个覆盖广泛金属度范围（0.1–2 Zsun）的高分辨率O型星SED网格，以供星云建模使用。

提出的方法

• 使用先进的模型大气代码计算大质量及超大质量O型星的SED，其中包含谱线遮蔽和辐射驱动风效应。
• 对SED应用流体动力学修正，以考虑风驱动的通量衰减和电离结构。
• 开发一种新颖的三维辐射转移代码，具备对金属离子化状态的时间依赖处理。
• 使用计算得到的SED进行一维和三维星云建模，以比较电离结构和发射线强度。
• 系统性地改变恒星金属度、气体金属度和密度非均匀性，以隔离其各自影响。
• 使用A&A 583, A63 (2015)基准验证模型输出与观测诊断的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同金属度下的恒星SED如何影响HII区的电离结构？
• RQ2 恒星金属度与气体金属度在导致观测到的星云线比率差异中的相对贡献是什么？
• RQ3 时间依赖的金属离子化如何影响三维模型中星云诊断的准确性？
• RQ4 与金属度效应相比，气体密度非均匀性在多大程度上改变整体发射线强度？
• RQ5 三维时间依赖辐射转移模型能否提高观测到的与预测的发射线强度之间的吻合度？

主要发现

• 恒星金属度对星云发射线强度比率的影响与气体金属度相当，挑战了仅气体金属度主导诊断的传统假设。
• 在三维模型中引入时间依赖的金属离子化可提高与观测发射线比率的一致性，优于稳态模型。
• 密度非均匀性对整体发射线强度的影响较小，表明其重要性低于金属度变化。
• 计算得到的SED网格覆盖了从0.1 Zsun到2 Zsun的金属度范围，为未来星云建模提供了全面工具。
• 辐射驱动风显著改变电离通量，尤其在高金属度恒星中，影响SED形状和电离势。
• 三维模型揭示了离子化状态的复杂空间变化，这些在一维模型中被平均化，凸显了球对称假设的局限性。