[論文レビュー] Analysis of chemical abundances in planetary nebulae with [WC] central stars. I. Line intensities and physical conditions

J. García–Rojas, M. Peña+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 46被引用数 32

ひとこと要約

本研究は、ラス・カンパニャス天文台のMIKE分光計を用いた深さのあるデータを用いて、12個の[W C]星雲を対象とした、これまでで最も広範かつ高分解能の分光的分析を実施した。衝突励起線（CELs）、光学再結合線（ORLs）、パッショーン連続分光を用いて、温度および電子密度といった物理的状態を安定して評価した。特に、イオン化領域と高密度領域の診断にそれぞれTₑ([O iii])とnₑ([Cl iii])を用いた。

ABSTRACT

(Abridged) Planetary nebulae (PNe) around Wolf-Rayet [WR] central stars ([WR]PNe) constitute a particular photoionized nebula class that represents about 10% of the PNe with classified central stars. We analyse deep high-resolution spectrophotometric data of 12 [WR]PNe. This sample represents the most extensive analysed so far, at such high spectral resolution. We aim to select the optimal physical conditions in the PNe to be used in ionic abundance calculations that will be presented in a forthcoming paper. We acquired spectra at LCO with the 6.5-m telescope and the MIKE spectrograph, covering a wavelength range from 3350 to 9400 A. The spectra were exposed deep enough to detect, with signal-to-noise ratio higher than three, the weak ORLs of OII, CII, and other species. We detect and identify about 2980 emission lines, which, to date, is the most complete set of spectrophotometric data published for this type of objects. From our deep data, numerous diagnostic line ratios for Te and Ne are determined from CELs, ORLs, and continuum measurements. Densities are closely described by the average of all determined values for objects with ne<10^4 cm-3, and by ne([Cl III]) for the densest objects. For Te, we adopt a three-zone ionization scheme, where the low ionization zone is characterized by Te([NII]), the medium ionization zone by Te([OIII]) and the highest ionization one by Te([ArIV]) when available. We compute Te from the HI Paschen discontinuity and from HeI lines. We do not find evidences of the presence of low-temperature, high-density clumps in our [WR]PNe from the analysis of faint O II and N II plasma diagnostics. The behaviour of Te([OIII])/Te([NII]) being very low for high ionization degrees can be reproduced by a set of combined matter-bounded and radiation-bounded models, however, for the lowest temperature ratios, too high metallicity seem required.

研究の動機と目的

• 高分解能分光測光法を用いて、[W C]中心星を有する星雲における最も信頼性の高い物理的状態（Tₑおよびnₑ）を特定すること。
• 最適な温度および密度の診断を同定することで、イオン化学組成の計算に生じる矛盾を解消すること。
• 温度揺らぎモデルの妥当性を評価し、弱いORLsを用いて低温度・高密度クラスターの存在を検出すること。
• H iパッショーン端面からのTₑとCELベースの温度との一貫性を検証すること。
• 物質・放射線両方の境界条件を組み合わせたモデルが、高イオン化領域における観測されたTₑ比を再現できるかを検証すること。

提案手法

• ラス・カンパニャス天文台の6.5m望遠鏡に搭載されたMIKE分光計を用いて、深く高分解能のスペクトル（3350–9400 Å）を取得した。
• S/N > 3の弱いO iiおよびC iiの光学再結合線（ORLs）を含む、合計2980本の発光線の輝度を測定した。
• [N ii]、[O iii]、[Ar iv]からのCELs、およびH iパッショーン端面とHe i線からの電子温度（Tₑ）を計算した。
• [Cl iii]、[Ar iv]および他のイオンからの診断線比を用いて電子密度（nₑ）を決定し、特に最も高密度な領域では[Cl iii]を用いた。
• 三領域モデルを適用：低イオン化領域にはTₑ([N ii])、中程度イオン化領域にはTₑ([O iii])、高イオン化領域にはTₑ([Ar iv])を用いた（利用可能な場合）。
• c(Hβ) = 1.80 ± 0.09を用いて赤方偏移を補正し、標準星の観測を用いて輝度校正を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのTₑおよびnₑの診断が、[W C]星雲において最も一貫性があり信頼性の高い物理的状態を提供するか？
• RQ2 H iパッショーン端面およびHe i線から導かれるTₑ値は、衝突励起線（CELs）からのTₑ値とどのように比較されるか？
• RQ3 弱いO iiおよびN ii再結合線の比率に基づいて、[W C]星雲に低温度・高密度クラスターの存在が示唆されるか？
• RQ4 観測されたTₑ([O iii])/Tₑ([N ii])比は、物質および放射線両方の境界条件を組み合わせた光電離モデルの予測と一致するか？
• RQ5 Tₑ(H i)およびTₑ(He i)の不確実性を考慮すると、これらの星雲におけるイオン化学組成の推定に温度揺らぎが及ぼす影響は何か？

主な発見

• 電子密度は、nₑ < 10⁴ cm⁻³の対象では、すべてのnₑ値の平均で最も適切に記述されるが、最も高密度な星雲ではnₑ([Cl iii])を用いる。
• 温度に関しては、Tₑ([N ii])が低イオン化領域、Tₑ([O iii])が中程度イオン化領域、利用可能な場合にTₑ([Ar iv])が最高イオン化領域を特徴づける。
• パッショーン端面からのTₑ(H i)は、通常CELベースのTₑ値と一貫性があるが、大きな不確実性を伴う。
• Tₑ(He i)はCELベースのTₑ値よりも系統的に低く、温度揺らぎの理論的枠組みに潜在的な矛盾を示唆している。
• O iiおよびN iiの診断から、低温度・高密度クラスターの明確な証拠は得られなかったが、大多数の対象で不確実性が支配的である。
• 観測されたTₑ([O iii])/Tₑ([N ii])比は、物質および放射線両方の境界条件を組み合わせたモデルの予測と一致しているが、最小比に至るには通常よりも高い金属量が要る。