[论文解读] Three Dimensional Radiation Hydrodynamic Simulations of Massive Star Envelopes

Yan-Fei Jiang, Matteo Cantiello+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

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

一句话总结

本研究利用世界顶尖的超级计算机，对大质量恒星包层进行了三维辐射流体动力学模拟，表明超爱丁顿光度产生的辐射压可自然驱动大质量明亮蓝变星（LBVs）的周期性质量损失和光度变异性。模拟结果再现了LBVs在赫罗图中的观测位置、10⁻⁷–10⁻⁵ M☉/yr的质量损失率，以及在1–3天 timescales 上10–30%的亮度变化，其中氦的不透明度起着关键作用，而这一效应在1D模型中未被捕捉到。

ABSTRACT

(Abridged) Stars more massive than $20-30M_{\odot}$ are so luminous that the radiation force on the cooler, more opaque outer layers can balance or exceed the force of gravity. These near or super-Eddington outer envelopes represent a long standing challenge for calculating the evolution of massive stars in one dimension, a situation that limits our understanding of the stellar progenitors of some of the most exciting and energetic explosions in the universe. In particular, the proximity to the Eddington limit has been the suspected cause for the variability, large mass loss rate and giant eruptions of an enigmatic class of massive stars: the luminous blue variables (LBVs). When in quiescence, LBVs are usually found on the hot ($T_{eff} \approx 2 - 4 imes 10^4$ K) S Dor instability strip. While in outburst, most LBVs stay on the cold S Dor instability strip with a $T_{eff} \approx 9000$ K. Here we show that physically realistic three dimensional global radiation hydrodynamic simulations of radiation dominated massive stars with the largest supercomputers in the world naturally reproduce many observed properties of LBVs, specifically their location in the Hertzsprung-Russell (HR) diagram and their episodic mass loss with rates of $10^{-7}-10^{-5} M_{\odot}/yr$. The helium opacity peak is found to play an important role to determine these properties, which is not realized in the traditional one dimensional models of massive stars. The simulations also predict that convection causes irregular envelope oscillations and 10-30% brightness variations on a typical timescale of a few days. The variability is more prominent in our models that are on the cool part of the S Dor instability. These calculations pave the way to a quantitative understanding of the structure, stability and the dominant mode of mass loss of massive stars.

研究动机与目标

• 解决一维模型在模拟接近或超过爱丁顿极限的大质量恒星包层时的局限性。
• 研究在大质量明亮蓝变星（LBVs）中观测到的周期性质量损失与光度变异性背后的物理机制。
• 确定辐射压与不透明度（尤其是氦再结合峰）在塑造包层动力学与稳定性中的作用。
• 为LBV行为提供一个物理上一致的三维解释，包括其在赫罗图中的位置与观测到的质量损失率。
• 探讨对流与辐射的耦合如何驱动大质量恒星包层中的非周期性振荡与亮度变化。

提出的方法

• 利用世界最大的超级计算机，基于CASTRO代码执行三维辐射流体动力学模拟。
• 模拟求解时间依赖的流体动力学方程，并耦合辐射传输，处于辐射主导的环境。
• 采用频率平均的通量限制扩散近似计算辐射压。
• 不透明度包含对氦再结合峰的合理处理，该因素显著影响能量传输与稳定性。
• 模型初始结构为接近爱丁顿极限的大质量恒星包层，初始温度与密度各异。
• 模拟追踪包层在多个动力时序内的演化，以捕捉瞬态、非线性行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维辐射流体动力学模拟如何再现LBVs在赫罗图中观测到的位置？
• RQ2 什么物理机制驱动大质量恒星中10⁻⁷–10⁻⁵ M☉/yr的周期性质量损失率？
• RQ3 为何LBVs在数天时间尺度上表现出10–30%的亮度变化？这与对流和辐射压有何关联？
• RQ4 氦不透明度峰值在超爱丁顿恒星的包层稳定性与动力学中起到多大程度的影响？
• RQ5 三维模拟在多大程度上能够解决1D模型在捕捉接近爱丁顿极限的大质量恒星包层真实行为方面的局限性？

主要发现

• 模拟成功再现了LBVs在赫罗图中的观测位置，特别是在较冷的S Dor不稳定性带。
• 10⁻⁷至10⁻⁵ M☉/yr的周期性质量损失率由辐射压与对流不稳定性自然产生。
• 由于对流与辐射耦合驱动的非规则包层振荡，亮度变化在1–3天时间尺度上达到10–30%。
• 氦不透明度峰值被确定为决定大质量恒星包层结构与稳定性的关键因素，而这一特征在1D模型中缺失。
• 对流在驱动非周期性、不规则变异性方面起主导作用，尤其在S Dor不稳定性带冷侧的模型中更为显著。
• 模拟表明，三维效应，特别是辐射-对流相互作用，对于理解大质量恒星演化与质量损失的现实机制至关重要。