[論文レビュー] A hydrodynamical study of multiple-shell planetary nebulae. III. Expansion properties and internal kinematics: Theory versus observation

D. Schoênberner, R. Jacob+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 60被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、高分解能エシェル分光法を用いて、複数殻構造を有する惑星状星雲における縁と衝撃波後方の壳の個別的な膨張速度を測定し、殻の衝撃波面が時間とともに加速することが判明した。これは、進化する放射場と密度勾配の影響によるものである。一方、縁は当初減速し、その後再び加速するが、これは星雲の真の膨張速度を示すものだと仮定する考え方に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

We present the result of a study on the expansion properties and internal kinematics of round/elliptical planetary nebulae of the Milky Way disk, the halo, and of the globular cluster M15. The purpose of this study is to considerably enlarge the small sample of nebulae with precisely determined expansion properties. To this aim, we selected a representative sample of objects with different evolutionary stages and metallicities and conducted high-resolution echelle spectroscopy. In most cases, we succeeded in detecting the weak signals from the outer nebular shell which are attached to the main line emission from the bright nebular rim. Next to the measurement of the motion of the rim gas by decomposition of the main line components into Gaussians, we were able to measure separately, for most objects for the first time, the gas velocity immediately behind the leading shock of the shell, i.e. the post-shock velocity. We more than doubled the number of objects for which the velocities of both rim and shell are known and confirm that the overall expansion of planetary nebulae is accelerating with time. There are, however, differences between the expansion behaviour of the shell and the rim. This observed distinct velocity evolution of both rim and shell is explained by radiation-hydrodynamics simulations, at least qualitatively. Because of the time-dependent boundary conditions, a planetary nebula will never evolve into a simple self-similar expansion. Also the metal-poor objects behave as theory predicts: The post-shock velocities are higher and the rim flow velocities are equal or even lower compared to disk objects at similar evolutionary stage. We detected, for the first time, in some objects an asymmetric expansion behaviour: The relative expansions between rim and shell appear to be different for the receding and approaching parts of the nebular envelope.

研究の動機と目的

• 特に複数殻構造を有する系を含め、正確に測定された膨張特性を有する惑星状星雲のサンプルを拡大すること。
• 明るい縁と薄い外側の殻の運動学的性質を区別すること、特に先導衝撃波の後方における衝撃波後方速度を特定すること。
• 金属量や進化段階が異なる星雲における観測された速度の時間的変化を、放射流体力学的シミュレーションの理論的予測と照合すること。
• 観測された膨張行動が、惑星状星雲における自己相似的または力学的（ボールスティック）膨張の仮定と矛盾しないかを評価すること。
• 再イオン化と金属量が運動学的進化に果たす役割、特に金属量が低く古く進化した星雲において検討すること。

提案手法

• 銀河ディスク、ハロー、M15球状星団に属する丸形・楕円形の惑星状星雲の代表的サンプルに対して、高分解能エシェル分光法を実施した。
• 強い発光線のガウシアン分解を実行し、明るい縁と薄い外側の殻の速度成分を分離した。
• 線幅の赤方偏移成分を分析することで、先導衝撃波の直後におけるガス速度（衝撃波後方速度）を測定した。
• 星からの放射場、風同士の相互作用、上流の密度勾配の時間的効果を解釈するため、観測された速度プロファイルを放射流体力学的シミュレーションと比較した。
• 中心星が高温で明るくない星雲の運動学的挙動を分析し、再イオン化の兆候を検出し、それが衝撃波速度に与える影響を評価した。
• 金属量の影響を評価するため、高金属量と低金属量の星雲を比較し、衝撃波後方速度と縁速度の違いに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数殻構造を有する惑星状星雲において、縁と外側の殻の膨張速度は時間とともにどのように変化するか？
• RQ2 衝撃波後方速度が縁速度をどの程度上回るか、その差の原因は何か？
• RQ3 類似した進化段階にある金属量が低い惑星状星雲の運動学的性質は、太陽系金属量の対象と比べてどのように異なるか？
• RQ4 中心星の進化が著しく速い星雲において、再イオン化が観測された衝撃波速度に果たす役割は何か？
• RQ5 観測された運動学的挙動は、惑星状星雲における自己相似的またはボールスティック膨張の仮定と矛盾するか？

主な発見

• 外側の殻の衝撃波後方速度は、最も若い星雲では約20 km s⁻¹から、より古い、より高温の系では約40 km s⁻¹にまで増加し、これはイオン化放射の増加と上流の密度勾配の影響によるものである。
• 縁速度は当初、AGB風速度（10–15 km s⁻¹）を下回るが、中心星の収縮に伴い風のパワーが増加することで、最大30 km s⁻¹まで加速する。
• 若い星雲では縁速度と衝撃波後方速度の差が約25 km s⁻¹であったが、進化した系では約15 km s⁻¹に減少し、動的支配の変化を示している。
• 中心星が高温で明るくない星雲では、衝撃波後方速度が40–50 km s⁻¹に達しており、これは単に継続的な風の相互作用によるものではなく、以前に再結合したガスの再イオン化によるものであると一致する。
• 金属量が低い星雲は、類似した段階にある太陽系金属量の星雲と比較して、より高い衝撃波後方速度とより低い縁速度を示しており、理論的予測を確認した。
• 惑星状星雲の真の膨張速度は、衝撃波後方速度によって最もよく表され、縁速度は若い系では実際の膨張を最大7倍も低く見積もる可能性がある。