[論文レビュー] Analysis of chemical abundances in planetary nebulae with [WC] central stars. II. Chemical abundances and the abundance discrepancy factor

J. García–Rojas, M. Peña+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 101被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、高分解能分光測光法を用いて12個の[WC]中心星を有する惑星状星雲の化学成分を分析し、励起された線（CELs）と光学再結合線（ORLs）からのイオン成分を比較した。その結果、星雲の性質に依存しない中程度の成分不一致要因（ADF(O++) = 1.2–4）が得られ、ORLから導かれた酸素成分は太陽値を上回っており、C/O比から約半数のサンプルは初期質量 ≥4 M⊙ の前身星を示している。

ABSTRACT

(Abridged) We present the abundance analysis of 12 PNe ionized by [WC]-type stars and wels obtained from high-resolution spectrophotometric data. Our main aims are to determine the chemical composition of the PNe and to study the behaviour of the abundance discrepancy problem (ADF) in this type of planetary nebulae. The detection of a large number of optical recombination lines (ORLs) and collisionally excited lines (CELs) from different ions were presented previously. Most of the ORLs were reported for the first time in these PNe. Ionic abundances were derived from the available CELs and ORLs, using previously determined physical conditions. Based on these two sets of ionic abundances, we derived the total chemical abundances in the nebulae using suitable ICFs (when available). In spite of the [WC] nature of the central stars, moderate ADF(O^++), in the range from 1.2 to 4, were found for all the objects. We found that when the quality of the spectra is high enough the ORLs O^++/H^+ abundance ratios obtained from different multiplets excited mainly by recombination are very similar. Possible dependence of ADFs with some nebular characteristics were analysed, finding no correlation. Abundances derived from CELs were corrected by determining the t^2 parameter. O abundances for PNe, derived from ORLs, are in general larger than the solar abundance. We derived the C/O ratio from ORLs and N/O and alpha-element/O ratios from CELs and found that these PNe are, in average, N-and C-richer than the average of large PN samples. About half of our sample is C-rich (C/O>1). The alpha-elements grow in lockstep with O abundance. Comparing the N/O and C /O ratios with those derived from stellar evolution models, we estimate that about half of our PNe have progenitors with initial masses > 4 M_sun. No correlation was found between the stellar [WC]-type and the nebular abundances.

研究の動機と目的

• 12個の[WC]型および弱発光線を示す中心星によってイオン化される惑星状星雲の化学組成を特定すること。
• [WC]中心星を有する星雲における成分不一致要因（ADF）の挙動を調査すること。
• 励起された線（CELs）および光学再結合線（ORLs）から導かれるイオン成分を比較し、イオン化補正係数（ICFs）を用いて全元素成分を計算すること。
• 星のタイプが星雲成分に与える影響を評価し、星の進化モデルと比較することで前身星質量を推定すること。
• PNデータを用いて銀河における酸素成分勾配を検討し、H ii領域の勾配および銀河化学進化モデルと比較すること。

提案手法

• 6.5mマグニチュード・テレスコープ（LCO）を用い、MIKE分光計で高分解能分光測光データを取得した。
• 論文Iで得られた物理的条件（Te, ne）を用い、CELsおよびORLsからのイオン成分を導出した。
• ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、硫黄、塩素、アルゴン、マグネシウム、鉄、ニッケルなどの全元素成分を計算するために、イオン化補正係数（ICFs）を適用した。
• 温度フラクチュエーションパラメータ t² を2通りの方法で計算した：He⁺/H⁺比のカイ二乗最小化法、およびORLとCELからのイオン成分の一貫性を用いた手法。
• ORLから導かれたO++成分とCELから導かれたO++成分の比としてADF(O++)を計算し、不一致の程度を定量化した。
• 観測されたN/OおよびC/O比を星の進化モデルの予測と比較し、前身星質量を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [WC]中心星を有する惑星状星雲における成分不一致要因（ADF）の大きさと挙動は何か？
• RQ2 これらの星雲において、光学再結合線（ORLs）から導かれるイオン成分と励起された線（CELs）から導かれるイオン成分の違いは何か？
• RQ3 ADFと星雲の性質（表面輝度、直径、励起度、密度など）との間に相関があるか？
• RQ4 ORLから導かれる酸素成分が太陽値を上回るという事実が、星雲および星の進化モデルに与える意味は何か？
• RQ5 惑星状星雲における酸素成分勾配は、H ii領域および銀河化学進化モデルの勾配とどのように異なるか？

主な発見

• O++の成分不一致要因（ADF(O++)）は1.2～4の範囲にあり、ORLとCELの間の成分差が中程度であることを示しており、典型的なPNeと一致するが極端ではない。
• 異なる多重項（例：1, 2, 10, 20, 3d-4f）におけるORLから導かれたO++/H+成分比が一貫しており、多重項1が再結合支配の励起を代表していることが確認された。
• ORLから導かれた酸素成分は太陽値を上回っており、この差は太陽の分離分画や現在の化学進化モデルでは完全に説明できない。
• ORLから導かれたC/O比は、約半数のサンプルがCに富んでいる（C/O > 1）ことを示しており、初期質量 ≥4 M⊙ の前身星であると示唆される。
• 星雲の化学成分と[WC]星のタイプとの間に相関は認められず、このサンプルでは[WC]現象が前身星質量と相関しないことが示された。
• PNにおける酸素成分勾配は、H ii領域よりも平坦で分散が大きく、銀河化学進化モデルではPNの勾配を再現できない。これは、移動や核合成後の豊度増加といった未考慮のプロセスが関与している可能性を示唆している。