[論文レビュー] Circumstellar molecular composition of the oxygen-rich AGB star IK~Tau: II. In-depth non-LTE chemical abundance analysis

L. Decin, E. De Beck+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 68

ひとこと要約

本研究は、酸素豊富なAGB星IK~Tauの原始惑星環状領域における11種の分子および同素体の非局所平衡（non-LTE）放射移動解析を実施し、高分解能の線幅および速度構造を用いて化学的含有量の層状分布を導出する。その結果、古典的モデルが予測するよりも遅い風の加速が示され、SiOおよびSiSの低減はおそらくダストへの吸着によるものであり、28SiOの増強を示唆する異常なSiO同位体比が観測された。一方、HCNおよびCSは非平衡モデルと乖離しているが、これはダスト形成プロセスに起因する可能性がある。

ABSTRACT

Aims: Little information exists on the circumstellar molecular abundance stratifications of many molecules. The aim is to study the circumstellar chemical abundance pattern of 11 molecules and isotopologs ($^{12}$CO, $^{13}$CO, SiS, $^{28}$SiO, $^{29}$SiO, $^{30}$SiO, HCN, CN, CS, SO, SO$_2$) in the oxygen-rich evolved star IK~Tau. Methods: We have performed an in-depth analysis of a large number of molecular emission lines excited in the circumstellar envelope around IK~Tau. The analysis is done based on a non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative transfer analysis, which calculates the temperature and velocity structure in a self-consistent way. The chemical abundance pattern is coupled to theoretical outer wind model predictions including photodestruction and cosmic ray ionization. Not only the integrated line intensities, but also the line shapes, are used as diagnostic tool to study the envelope structure. Results: The deduced wind acceleration is much slower than predicted from classical theories. SiO and SiS are depleted in the envelope, possibly due to the adsorption onto dust grains. For HCN and CS a clear difference with respect to inner wind non-equilibrium predictions is found, either indicating uncertainties in the inner wind theoretical modeling or the possibility that HCN and CS (or the radical CN) participate in the dust formation. The low signal-to-noise profiles of SO and CN prohibit an accurate abundance determination; the modeling of high-excitation SO$_2$ lines is cumbersome, possibly related to line misidentifications or problems with the collisional rates. The SiO isotopic ratios ($^{29}$SiO/$^{28}$SiO and $^{30}$SiO/$^{28}$SiO) point toward an enhancement in $^{28}$SiO compared to results of classical stellar evolution codes. Predictions for H$_2$O lines in the spectral range of the Herschel/HIFI mission are performed. [abbreviated]

研究の動機と目的

• 酸素豊富なAGB星IK~Tauの原始惑星環状領域における11種の主要分子および同素体の化学的含有量の層状分布を調査すること。
• 炭素豊富な対象と比較して、酸素豊富な環状領域における分子含有量に関する観測的制約の不足を解消すること。
• 内側および外側の風領域における非平衡化学、ダスト-ガス相互作用、光分解離の理論的モデルを検証すること。
• 線幅および強度データを用いた非局所平衡放射移動モデルの信頼性を評価すること。
• 将来のHerschel/HIFI観測のためのH2O線放出特徴を予測すること。

提案手法

• 非局所平衡放射移動モデルを用いて、原始惑星環状領域における温度、速度構造、および分子励起状態を同時に解く。
• LAMDAおよびCDMSデータベースから得た詳細な分子データ（エネルギー準位、アインシュタインA係数、衝突率係数）をモデルに組み込む。
• 観測スペクトルからの線幅および積分強度を、含有量構造および風のダイナミクスの制約に用いる。
• 化学的含有量パターンを、光分解離、宇宙線イオン化、ダスト-ガス反応を含む理論的予測と比較する。
• CO、SiO、HCN、CN、CS、SO、SO2、H2Oの振動・回転遷移を、超微細分裂、l型二重性、振動励起を考慮してモデル化する。
• 必要に応じて衝突率を高温度領域に外挿し、H2Oに対しては高精度の線リスト（例：Barber et al. 2006）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IK~Tauの原始惑星環状領域におけるCO、SiO、SiS、HCN、CS、CN、SO、SO2、H2Oの真の化学的含有量分布は何か？
• RQ2 非局所平衡効果および風の加速プロファイルは、古典的AGB風理論とどのように比較できるか？
• RQ3 SiOおよびSiSの低減は、ダスト粒子への吸着によってどの程度生じているか？
• RQ4 観測されたHCNおよびCSの線幅が、内側風における非平衡化学モデルの予測と乖離している理由は何か？
• RQ5 SiO同位体比（29SiO/28SiOおよび30SiO/28SiO）の結果は、星の核融合生成および進化にどのような意味を持つか？

主な発見

• IK~Tauにおける風の加速は、古典的AGB風理論が予測するよりも顕著に遅く、動的モデルの見直しが必要であることを示唆している。
• SiOおよびSiSは原始惑星環状領域で強く低減しており、これは内側風で形成されたダスト粒子への吸着によるものとされる。
• 29SiO/28SiOおよび30SiO/28SiOの同位体比は、古典的星形成モデルと比較して28SiOの増強を示しており、核融合異常または非標準的な混合の可能性を示唆している。
• HCNおよびCSは非平衡化学モデルの予測と一致しない線幅を示しており、これはダスト形成に関与しているか、理論的反応ネットワークの不確実性を示唆している可能性がある。
• SOおよびCNの信号対雑音比が低いため、正確な含有量の決定が困難であり、高励起SO2線のモデリングは、線の誤同定または不正確な衝突率係数の可能性によって妨げられている。
• Herschel/HIFI帯域におけるH2O放出線の予測を提示し、将来的な観測による非局所平衡モデルの検証が可能になる。