Problems in Stellar Atmospheres and Envelopes

388 Pages·1975·7.538 MB·English

by  Dietrich Labs (auth.), Bodo Baschek, Wilhelm H. Kegel, Gerhard Traving (eds.)

Problems in
Stellar Atmospheres
and Envelopes
Edited by
B. Baschek W. H. Kegel G. Traving
With 75 Figures
Springer -Verlag
Berlin Heidelberg New York 1975
Bodo Baschek Wilhelm H. Kegel Gerhard Traving
Lehrstuhl fUr Theoretische Astrophysik der Universitat Heidelberg
ISBN-13: 978-3-642-80921-7 e-ISBN-13: 978-3-642-80919-4
001: 10.1007/978-3-642-80919-4
This work is subject to copyright. All rights are reserved, whether the whole or part of the material is concerned, specifically those
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publisher, the amount of the fee to be determined by agreement with the publisher. © by Springer-\.Atrlag Berlin Heidelberg 1975.
Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1975
library of Congress Cataloging in Publication Data. Main entry under title: Problems in stellar atmospheres and envelopes. Includes
bibliographical references and index. 1. Stars--Atmospheres. 2. Stars--Evolution. I. Baschek, B., 1935 - ed. II. Kegel, Wilhelm H.,
1936-ed. III. Traving, G., 1920-ed. QB809.P76. 523.8'2. 74·32493.
This volume is dedicated to
Albrecht Unsold
on the occasion of his seventieth birthday
The authors. who are privileged to have been students of his. wish to
express their gratitude for the guidance and stimulation he has given
them over the years in a field. which would be inconceivable without his
own many contributions.
In this volume. different aspects of stellar atmospheres and envelopes
are reviewed from a very personal point of view by the authors. who
hope that others will find them interesting and stimulating.
Contents
List of Authors ............................................................ XIII
xv
Abstracts
The Energy Flux of the Sun
A Critical Discussion of Standard Values for the Solar Irradiance
D. Labs
1. Introduction ••••••••••••••••.•.••••••••.•.•••••..••••••••••••••••••••••••••
2. High A1 tit ude Experiments ••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
3. Discussion of the Results .••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 6
4. Results of Measurements in the Far Ultraviolet ••••••••••••••••••••••••••••• 15
References •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 7
Model Stellar Atmospheres and Heavy Element Abundances
E. B8hm-Vitense
1. Introduction ............. 21
I •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
2. The Temperature Stratification ••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••• 22
3. The Gas and Electron Pressures ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27
4. The Energy Distribution in the Continuum ••••.•••••••••••••••••••••••••••••• 34
4.1. The Balmer Discontinuity •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 34
4.2. The Ultraviolet Continuum ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 36
5. The Line Absorption •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 38
5. 1. The Total Line Blanketing .•••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••• 38
5.2. The Metallic Line Absorption •••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••• 41
5.3. Molecular Lines ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 44
5.4. The Hydrogen Lines •••••••••.••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••• 45
6. The UBV Colors .•..............•.......•.•••.............•........•.•.••.•.. 46
7. The Temperature Calibrations •••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••• 48
8. The Bolometric Correction ••••••••.•••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••• 49
VIII Contents
9. Convection and Metal Abundances •..•.•••••••.••.•••.••••.••••••••••••••...•• 51
9.1. Convective Instability ................................................ 51
9.2. Convection Velocities, Microturbulence and Chromospheres •••••••••••••• 54
9.3. Influence of Convection on the Observed Energy Distribution of
Stellar Spectra ••••.•..•••.••••.••.•..••••••••••••••••.•••••••••.••••• 55
References •••••.•...•.•.•.•••••••••••••••••.•.••••••.••••••..••••••••••••••••• 55
Properties and Problems of Helium Stars
K. Hunger
1. Introduction ••••••.••••••••.•.•••.••••.••••••.••••.••••••••••••••••••.••••• 57
1. 1. Definitions ••••••••••••••••••••••••••••••••.•..••••••••••••••••••••••• 57
2. General Properties •••••••••••.•.••.••••.••••••.••••.•..•••••••.•••••••••••• 58
2.1. List of Objects •••....•..•......••.•••••....••.••..•.•••••••••••••.••• 58
2.2. Distribution on the Sphere and Velocities •••.••••••••••••••••••••.••.• 62
2.3. H/He Ratio •••••••••••..•••••••••••••••••••••.••••••.•••••••••••••••••• 65
3. SpectTIllll ••••.•••.•..•.•••..•......•.•.••••.•..••••••••••••.•••••.••.••••••• 66
3. 1. Visual SpectTIllll ••.••...•••..••....•...••.....•.•••..•.•.•••..••••.•.•• 66
3.2. UV-SpectTIllll ••••.••....••.•.••••••.••.•.••••••.....•.•••••••••.•..••••• 68
4. Atmospheric Structure ••••.••••••.••••.•.••.••.•.•••..•••••••••••••••••••••• 69
4.1. Model Atmospheres •..•.•.•••••••••••••••••••••..•..•..••••••.•••••••... 69
4.2. Synthetic Spectra and Atmospheric Parameters •••••.••••••••••••••••.••• 72
4.3. Non-LTE Effects ••••...••••••••••..•••••••..•••.•..•.•••••••••••••••••• 76
5. Individual Objects ••••.•••.••••••••••..•..••••••••••••••••••••••••••••••••• 76
5. 1. Extreme Helium Stars .•••..•.•••.••..•••••••..•••....•.•••••.•••.•••••• 76
5.2. Intennediate Helium Stars •••••.•••••..•.•••••••••••••••••••••••••••••• 78
5.3. O-Subdwarfs ••••••••••••..••..•.•••••••••••••••••••••••••••.••••••••••• 81
6. Abundances •••••••••••••••.••••..••.•.••.••••••••••••••••••••••••••••••••••• 81
7. Evolution of Model Helium Stars and the (g, Teff)-Diagram .••••••••••••••••• 84
7 • 1. Main Sequences •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••• 84
7.2. Evolutionary Tracks .•••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••.••••••••. 86
7.3. Lifetimes ••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••.•••••••••••••••• 88
8. Empirical (g, Teff)-Diagram •••.••••••....•..••••...•••••...•..••••••••••••. 89
8.1. (g, Teff)-Classification and Masses •.•............•••••••..••••••••••• 89
8 . 2. Observed Objects •.••••••.••••••...•.•.••••••..•••••.••..•••••••.•.•.•• 90
9. Variability and Atmospheric Motions •••••••.••••••••••••.••••••••••••••••••• 93
10. Conclusion •••.•••••••••••••.•••••••••••.••••••••.•••••••••••••••••••••••••• 95
References •••••••••••••.••••••••••••••.••.•••••••••••.•••••••••••••••••••••.••• 97
Contents IX
Abundance Anomalies in Early-Type Stars
B. Basahek
1. Introduction 101
2. Problems Related to the Determination of Abundance Anomalies •••••••••••••• 102
2.1. Definition of Abundances ••••••..•••••.••••••••••••••••.•••••••••••••• 102
2.2. Relative and Normal Abundances ....................................... 103
2.3. Model Atmospheres of Peculiar Stars Compared to Normal Stars ••••••••. 105
3. The Population I Peculiar B Stars •..••••..••••.••••••••••••..••••••••••••• 109
3.1. The Major Groups of the Ap Stars •..••••••••..•••••••••••••••••••••••• 109
3.2. The Weak-Helium-Line Stars •••••.•••••••••••..•••••.•••••••••••••••••• 110
3.3. Relationship of the Weak-Helium-Line Stars to the Silicon and
Manganese Stars •••••.•••..•••••.••••••••.•••••••••••.•••••••••••••••• 112
3.4. Peculiar Early-B Stars ............................................... 117
4. The CNO Stars •••••..••.•••••.••••••••..•••••••••••..••••.•••••••••••••••.• 118
4. 1. Properties of the CNO Stars •••••••••.••••••••••••••••••••••••.••.•••• 118
4.2. Element Abundances ••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••• 119
4.3. Nature of the CNO Anomalies .......................................... 119
5. The Population II B Stars ................................................. 122
5.1. Classification .••••••••••••.••••.••••••••••••••••••••••••.••••••••••• 122
5.2. Evolutionary Status •.••••••••••••••••••••••.••••••••••••.•••••••••••• 124
5.3. Element Abundances •.•••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 125
5.4. Discussion of the Abundance Anomalies •••••••••••••••••••.•••••••••••• 127
6. On the Origin of the Ap Phenomenon •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 132
6. 1. Nuclear Processes .................................................... 134
6.2. Non-Nuclear Processes ••••••.••••••••..••••••••••••••••••••••••••••••• 135
6.3. Removal of Surface Abundance Anomalies ••••••.•••••••.•••••••••••••••• 139
6.4. Inferences from the Early-Type Peculiar Stars •••••••••••••••••.•••••• 140
References ••••••••••••••••..••••••.••.••••••.••••••••••••••••••••••••••••.••• 143
A-Type Horizontal-Branch Stars
K. Kodairo.
1. Introduction ••••••••••••.•••••.••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••.•• 149
2. Characteristics of A-Type Atmospheres ••••..••••••••••••••••••••••••••••••• 150
3. Observational Quantities .••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••• 153
4. Field Horizontal-Branch Stars ••••••••..•••.•••.••••••••••••••••••••••••••• 159
x
Contents
5. Horizontal-Branch Stars in Globular Clusters •.•••.•.••••.••••••••••.•••.•• 163
5.1. NGC 6397 ••••.••.••••••••••••••..•••••••.•••..••••••.••..••••••••••.•• 163
5.2. NGC 6121 (M4) ........................................................ 164
6. Chemical Composition and Mass-Luminosity Relation •••..•.••.•••.•.••.•.•••• 166
6.1. Chemical Composition ..••••••.•••••••••.•.••..••••••••••••.••••••••••• 166
6.2. Mass-Luminosity Ratio .•••.••••••••••••••••••.•••••.••••.••.•..••••.•. 168
References ••••.•••••••••••.•.••••••..••••••••••••••••.•.•.••.•••••••.••••.••• 169
White Dwarfs: Composition. Mass Budget and Galactic Evolution
V. Weidemann
1. Introduction 173
2. The Atmospheres of White Dwarfs ........................................... 174
2.1. White Dwarfs with Hydrogen-Rich Atmospheres .••••••.••••.•.•••.••••••. 174
2.2. White Dwarfs with Hydrogen-Deficient Atmospheres ••••.••••••••••••••.• 179
3. Composition of Interiors and Envelopes. White-Dwarf Formation 185
4. Interpretation of Atmospheric Composition Differences
DA vs. Non-DA Stars ....................................................... 191
5. White Dwarfs: Mass Budget and Galactic Evolution •..•••.••••••••••••••.•••• 194
References ••••••••••••••.•••••••••.•••••••••.•••.•..••••.•••••••••••••••••••. 199
Herbig-Haro Objects and T Tauri Nebulae
K.-H. Balun
1. Introduction 205
2. Observation of Herbig-Haro Objects ••••••.•••••••..••.•••••••••••••••••••.• 206
2.1. Occurrence and Apparent Structure •••••.•••••••••.••••••••.••••••••••• 206
2.2. Variability •.•..••...•••••••••....••••.•••..••••••••••••••••••••••••• 207
2.3. Reddening and Interstellar (Circumstellar?) Absorption ••••.•••••••••• 208
2 • 4. Spectra •.••.•.•••.•.••.•••.••••••••.••••.•••.••••..•.•.•••••••••••••• 209
2.5. Polarization and Relation of Herbig-Haro Objects to
Infrared Sources •••.•••••••.••••••••••••...•.••••••••••••••••••••.••• 214
3. Theory and Theoretical Deductions from the Observations ••.•••••.••.••••.•• 216
3.1. Direct Interpretation of the Spectra ••••••••••••.•••••.•••••••••••••• 216
3.2. Theoretical Interpretation of the Observed Ionization
and Excitation .••••.••••••••••••••••.••••.••.•••.•••••••••••••••••••• 222
3.3. Evolutionary Significance of Herbig-Haro Objects .••.••••.•••••••••..• 224
4. The T Tauri Emission Nebula ••• 226
i • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ••
References ••.••••••••••.•••••••••••••••••.•••.••••..•••••..••.••••••••••••.•• 227
Contents XI
Circumstellar Envelopes and Mass Loss of Red Giant Stars
D. Reimers
f. Introduction •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 229
2. Circumstellar Absorption Lines •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 230
3. Dust and Molecules in the Circumstellar Envelopes of Red Giants ••••••••••• 241
3. 1. The Infrared Silicate Excess •••.•••••••••••••••••••••.••••••••••••••• 241
3.2. Polarization •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••• 245
3.3. Microwave Emission from Molecules •••••••••••••••••••••••••••.•••••••• 246
4. The Dependence of Mass Loss on Basic Stellar Parameters •.•••..•••••••••••• 247
5. Consequences for Stellar Evolution .••••..••••••..•••.•.•..•••••••••••••••• 252
References ................................................................... 254
Cosmic Masers
W.H. Kegel,
1. Introduction •••••••..•.••••••.••.••••••..•••.••••••••••.•••••••••••••••••. 257
2. Observational Characteristics ••.•••••.•••••••••..••••••••••••••••••.•••••• 258
2. 1. OH Sources ••••.••••••••••••••••••••••••••••••••.••••.•••••••••••••••• 258
2.2. H20 Sources •••••••••••••••••••..••••••.••••.•••••••••••••••.••••••••• 263
3. Radiative Transfer •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 266
3. 1. General Relations •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 266
3.2. Unsaturated Masers •••••••••••.•••••••••.•••••.•....•••.•••.•••••••••• 268
3.3. Saturation Effects •••••••••••••••.••••.••••••.•••.•.••••••••••••••••• 272
3.4. The Influence of the Infrared Lines •••••••••••••••••••••••••••••••••• 280
3.5. The Influence of Continuous Absorption ••••••••••.•••.•••••••••••••••• 281
3.6. Velocity Fields ••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••• 283
4. Polarization •••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 285
5. Ptunping Mechanisms ••••••••••••••.••••••••••.•••••.••••••••••••••••.••••••• 286
5. 1. General Considerations •••.••••••••.••••.••••••••••••••••••••••••••••• 286
5.2. The OH Molecule •••••••••.••••••••••••••••••••.••••••.••.••••••••••••• 288
5.3. The H20 Molecule ..................................................... 292
6. Models •.•••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••• 293
7. Discussion and Conclusion •••••••••••.••••••••..••••••••••.•••••.•••••••••• 294
References ••••••••.•••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••• 297
Radio Emission from Stellar and Circumstellar Atmospheres
L. Oster
1. Introduction ••••••••••••••••.••.••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••• 301
2. Stellar Chromospheres and Coronas ••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 302
3. Solar-Type Activity on Stars .............................................. 305
XII Contents
4. Flare Stars: W Cet et al. •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 307
5. Radio Emission from Close Binaries •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 309
6. Radio Emission from Objects with Circumstellar Envelopes •••••••••••••••••• 311
7. X-Ray Stars as Radio Emitters ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 315
8. The Remaining Stellar Observations •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 316
References ................................................................... 318
Line Formation in Turbulent Media
G. Traving
1. Introduction ••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 325
2. General Structure of the Problem •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 326
3. Line Formation in Discontinuous Velocity Fields ••••••••••••••••••••••••••• 334
4. Line Formation in Media with Continuous Velocity Fields ••••••••••••••••••• 341
5. Solution of the Generalized Transfer Equation ••••••••••••••••••••••••••••• 346
6. An Approach to NLTE Line Formation in Turbulent Media ••••••••••••••••••••• 351
7. Concluding Remarks •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 355
References ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 355
Subject Index 357
Index of Astronomical Objects 369