[論文レビュー] Detached Shell Carbon Stars: Tracing Thermal Pulses on the Asymptotic Giant Branch

Joel H. Kastner, Emily Wilson|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 53被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、赤外線光度とガウス・EDR3パラメータを用いて、非付着殻炭素星が、赤道巨星系列（AGB）における熱的パルス（TP）の光度の時間的変化をトレースできることを示している。非付着殻の動的年齢と現在の光度の相関関係により、星の噴出後約10,000年間の光度低下が、TPモデルの光度曲線とよく一致しており、母星質量は約2.5–4.0 M⊙であると示唆される。特に若年齢の殻（1,000–3,000年）は、中年齢のものよりも明るく、その傾向は理論的予測と整合的である。

ABSTRACT

We consider whether the subset of carbon-rich asymptotic giant branch (AGB) stars that exhibit detached, expanding circumstellar shells may reveal the past histories of these stars as having undergone helium shell flashes (thermal pulses) on the AGB. We exploit newly available Gaia parallaxes and photometry, along with archival infrared photometry, to obtain refined estimates of the luminosities of all (12) known detached shell carbon stars. We examine the relationship between these luminosities and the estimated dynamical ages (ejection times) of the detached shells associated with the 12 stars, which range from $\sim$1000 to $\sim$30000 yr. When arranged according to detached shell dynamical age, the (implied) luminosity evolution of the known detached shell carbon stars closely follows the predicted "light curves" of individual thermal pulses obtained from models of AGB stars. The comparison between data and models suggests that detached shell carbon stars are descended from $\sim$2.5-4.0 $M_\odot$ progenitors. We conclude that detached shell carbon stars may serve as effective tracers of the luminosity evolution of AGB thermal pulses.

研究の動機と目的

• 非付着殻炭素星が、赤道巨星系列（AGB）における熱的パルス（TP）の光度変化を観測的にトレースできるかどうかを検証すること。
• ガウス・EDR3パラメータとアーカイブの赤外線光度測定を用いて、既知の12個の非付着殻炭素星の光度を精緻化すること。
• 熱的パルス誘発の光度上昇が、殻の噴出を引き起こすという仮説を、観測された光度と殻の動的年齢の関係を理論的TP光度曲線と比較することで検証すること。
• 非付着殻炭素星の母星質量の初期範囲を、光度-年齢傾向に基づいて制限すること。

提案手法

• 12個の既知の非付着殻炭素星について、ガウス・EDR3パラメータと光度測定を取得し、アストロメトリック過剰誤差を用いた系統誤差補正を実施した。
• ガウスデータに加え、2MASS、WISE、IRAS、AKARI、DIRBEのアーカイブ赤外線光度測定を統合し、全波長光度を導出した。
• 観測された膨張速度（CO線プロファイルから得られる）と殻半径を用いて、非付着殻の動的年齢を計算した。
• 殻の動的年齢の順に星を並べ、母星質量2.0–3.6 M⊙のAGBモデルから得られる理論的TP光度曲線と比較することで、光度変化の系列を構築した。
• Bailer-Jonesら（2021）の距離推定値を用いて、特にパラメータの不確実性が大きい星の光度精度を向上させた。
• 観測された光度-年齢傾向がTPモデル予測と整合的であるかを評価し、特に光度ピークのタイミングと振幅に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非付着殻炭素星の光度は、AGBにおける熱的パルスの予測された光度曲線と一致するように変化するか？
• RQ2 観測された光度と殻の動的年齢に基づいて、非付着殻炭素星の母星質量範囲は何か？
• RQ3 殻の噴出後約10,000年間の観測された光度低下は、理論的TPモデル予測とどのように一致するか？
• RQ4 酸素豊富なAGB星はより多く存在するにもかかわらず、なぜ非付着殻は炭素豊富なAGB星に多く観測されるのか？
• RQ5 二重星相互作用やISM相互作用が、これらの系における観測された光度-年齢関係にどの程度影響を及ぼしているか？

主な発見

• 非付着殻炭素星の光度は、殻の噴出後約10,000年間で低下しており、若年齢の殻（1,000–3,000年）では光度が10,000 L⊙以上、中年齢の殻（8,000–12,000年）では数×10³ L⊙程度である。
• 観測された光度変化は、母星質量2.0–3.6 M⊙のAGBモデルから得られる理論的TP光度曲線とよく一致しており、特にRT CapとU Antで顕著である。
• 非付着殻炭素星の大部分の母星質量範囲は、約2.5–4.0 M⊙に制限され、一般のC星母星質量範囲（約1.6–4.5 M⊙）よりも狭い。
• 最も古い殻（約20,000–30,000年）を有する星の光度は、若年齢星と同程度であり、TP前の光度に戻る緩やかな回復が示唆される。
• S Sctの光度の乖離（間隔パルス時間が約8,000年と短いと推定されるが）は、ISM相互作用や観測誤差による可能性が高く、先行研究でも指摘されている。
• R Sclを除き、二重星の影響による殻構造の明確な証拠は見られず、非付着殻炭素星の多くは孤立した単一星のAGB進化に起因すると示唆される。