[論文レビュー] Carbonaceous molecules in the oxygen-rich circumstellar environment of binary post-AGB stars: C_{60} fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons

C. Gielen, J. Cami+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 69被引用数 68

ひとこと要約

本研究では、酸素過剰な周囲星間環境に存在するC60フラーレンおよび多環芳香族炭化水素（PAHs）の初回検出を報告し、従来の見解である「炭素含有分子は炭素過剰な流出でしか形成されない」という考えに挑戦する。スパイトル・IRS分光法を用いて、中心星およびその周囲の二重星円盤が酸素過剰であるにもかかわらず、大規模な炭素分子が依然として存在することを示した。これは、非平衡状態の化学的プロセス、例えば衝撃波駆動によるPAHsからフラーレンへの変換といった、予期しない化学的処理を示唆している。

ABSTRACT

Context. The circumstellar environment of evolved stars is generally rich in molecular gas and dust. Typically, the entire environment is either oxygen-rich or carbon-rich, depending on the evolution of the central star. Aims. In this paper we discuss three evolved disc sources with evidence of atypical emission lines in their infrared spectra. The stars were taken from a larger sample of post-AGB binaries for which we have Spitzer infrared spectra, characterised by the presence of a stable oxygen-rich circumbinary disc. Our previous studies have shown that the infrared spectra of post-AGB disc sources are dominated by silicate dust emission, often with an extremely high crystallinity fraction. However, the three sources described here are selected because they show a peculiar molecular chemistry. Methods. Using Spitzer infrared spectroscopy, we study in detail the peculiar mineralogy of the three sample stars. Using the observed emission features, we identify the different observed dust, molecular and gas species. Results. The infrared spectra show emission features due to various oxygen-rich dust components, as well as CO2 gas. All three sources show the strong infrared bands generally ascribed to polycyclic aromatic hydrocarbons. Furthermore, two sample sources show C60 fullerene bands. Conclusions. Even though the majority of post-AGB disc sources are dominated by silicate dust in their circumstellar environment, we do find evidence that, for some sources at least, additional processing must occur to explain the presence of large carbonaceous molecules. There is evidence that some of these sources are still oxygen-rich, which makes the detection of these molecules even more surprising.

研究の動機と目的

• 酸素過剰な周囲星間環境に存在する炭素含有分子の存在を、通常はシリケートダストが支配すると予想されるpost-AGB二重星で調査すること。
• これらの酸素過剰系でPAHsおよびC60フラーレンが検出されたことが、非平衡状態の化学反応または異常な物理的条件を示唆するかどうかを特定すること。
• 炭素がCOに閉じ込められるはずの環境でも、大規模な炭素含有分子がどのように形成されたり生存したりするかのメカニズムを調査すること。
• 衝撃波、星の脈動、または触媒反応が、酸素過剰な円盤で複雑な炭素分子を形成可能にする役割を評価すること。

提案手法

• 既知の酸素過剰な周囲円盤を有する3つの二重星post-AGB星の高分解能および低分解能のスパイトル赤外分光計（IRS）分光法を用いた分析。
• 5–20 µm範囲における特徴的な発光ピークを用いて、ダスト、ガス、分子種の同定。
• アモルファスおよび結晶性シリケート、CO2ガス、PAHs、C60フラーレンからの発光を分離・定量するためのスペクトルフィッティング。
• 7.8、8.5、11.2、および17.1 µmの発光バンドの相対的強度に基づき、C60フラーレンの励起温度および質量を推定。
• PAHおよびフラーレン発光の実験的および理論的モデルと観測スペクトルを比較。
• 円盤質量および進化段階を診断するためのLIR/L∗比を用い、分子含有量との相関関係を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素過剰と分類される周囲環境で、C60フラーレンおよびPAHsがどのように検出可能となるのか？
• RQ2 酸素過剰な円盤で大規模な炭素含有分子が形成されたり生存したりするための物理的または化学的プロセスは何か？
• RQ3 CO2ガスの存在が、これらの酸素過剰系で炭素含有分子の形成に関与しているとされる根拠は何か？
• RQ4 なぜpost-AGB円盤源のわずか一部（約70個中6個）でのみ、検出可能なPAHsまたはフラーレンが観測されるのか？

主な発見

• 調査対象の3つのpost-AGB二重星（IRAS 06338、HD 52961、EP Lyr）は、酸素過剰なシリケート、CO2ガス、PAHs、C60フラーレンからの強い発光ピークを示した。
• 本研究では、酸素過剰なpost-AGB系でC60フラーレンが明確に検出された初の報告であり、7.8、8.5、11.2、および17.1 µmの特徴的な発光バンドが観測された。
• HD 52961およびIRAS 06338におけるC60の励起温度は約1500 Kと推定され、高エネルギー状態からの発光を示している。
• これらの源におけるC60質量は10−6から10−5 M⊙のオーダーであり、フラーレンの顕著な生成または蓄積を示唆している。
• C/O < 1の酸素過剰と分類されるにもかかわらず、PAHsおよびC60の存在は炭素がCOに完全に閉じ込められていないことを示し、活発な化学的処理が進行している可能性を示している。
• これらの源のLIR/L∗比が低く（3–12％）なのは、ダスト質量が小さいか、円盤が透過性が高いためであり、これはガス線の可視性を向上させ、光分解速度に影響を与える可能性がある。