[論文レビュー] Dusty wind of W Hya. Multi-wavelength modelling of the present-day and recent mass-loss

T. Khouri, L. B. F. M. Waters+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 55被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、W Hydraeという酸素豊富なAGB星の-dusty wind-を、多波長観測と放射線輸送のモデル化により、ほこりの組成、構造、質量減少歴を制約する。重力的に束縛されたほこりの壳層が、非晶質Al2O3で支配されており、赤外線過剰と散乱光を説明している。ケイ酸塩の放射は、40 AUを超えた領域で発生しており、近赤外領域での光学的厚さの増加が原因である。また、約3,500年前に最近の質量減少のピークが観測され、その持続期間は約300年であったことが判明した。

ABSTRACT

Low- and intermediate-mass stars go through a period of intense mass-loss at the end of their lives in a phase known as the asymptotic giant branch (AGB). During the AGB a significant fraction of their initial mass is expelled in a stellar wind. This process controls the final stages of their evolution and contributes to the chemical evolution of galaxies. However, the wind-driving mechanism of AGB stars is not yet well understood, especially so for oxygen-rich sources. Characterizing both the present-day mass-loss and wind structure and the evolution of the mass-loss rate of such stars is paramount to advancing our understanding of this processes. We modelled the dust envelope of W Hya using an advanced radiative transfer code. The dust model was analysed in the light of a previously calculated gas-phase wind model and compared to measurements available in the literature, such as infrared spectra, infrared images, and optical scattered light fractions. We find that the dust spectrum of W Hya can partly be explained by a gravitationally bound dust shell that probably is responsible for most of the amorphous Al$_2$O$_3$ emission. The composition of the large ($\sim$\,0.3\,$μ$m) grains needed to explain the scattered light cannot be constrained, but probably is dominated by silicates. Silicate emission in the thermal infrared was found to originate from beyond 40 AU from the star and we find that they need to have substantial near-infrared opacities to be visible at such large distances. The increase in near-infrared opacity of the dust at these distances roughly coincides with a sudden increase in expansion velocity as deduced from the gas-phase CO lines. Finally, the recent mass loss of W Hya is confirmed to be highly variable and we identify a strong peak in the mass-loss rate that occurred about 3500 years ago and lasted for a few hundred years.

研究の動機と目的

• W Hydrae、酸素豊富なAGB星の風におけるほこりの組成と構造を理解すること。
• 多波長観測を用いて、W Hyaの質量減少率の歴史を制約すること。
• Al2O3 やケイ酸塩などのほこり種が星風を駆動する役割を調査すること。
• 観測された赤外スペクトル、散乱光の割合、ほこりの画像を、物理的に整合性のあるほこりモデルと一致させること。
• 風中におけるカルシウムを含むほこり種の寄与と、その光学的厚さ特性を評価すること。

提案手法

• 複数の波長でW Hyaのほこりエンベロープをモデリングするため、高度な放射線輸送コードを採用した。
• ISOの赤外スペクトル、PACSの70 µm画像、MIDI干渉計データ、散乱光の割合の制約を統合した。
• 非晶質Al2O3粒子に、修正されたRice-Nordheim（MRN）粒子サイズ分布を用いた重力的に束縛されたほこりの殻（GBDS）モデルを採用した。
• 先行研究（論文I）の気体相風モデルを組み込み、観測されたCO線プロファイルと質量減少率と整合性を保った。
• 特にケイ酸塩の近赤外領域での光学的厚さの増加に注目し、大半の距離で放射を説明するための不透明度の変化を検討した。
• 利用可能な光学定数を用いてカルシウムを含むほこり種を検討したが、データの制限により正確な定量は困難であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W Hyaの風で観測された赤外線過剰と散乱光を引き起こす主なほこり種は何か？
• RQ2 ほこりの放射構造は、CO線から推定される運動学的および質量減少歴とどのように関係しているか？
• RQ3 大半の距離（40 AUを超える）で観測されたケイ酸塩放射は、ほこりの不透明度特性と粒子成長によって説明可能か？
• RQ4 カルシウムはほこりの組成においてどのような役割を果たしており、観測された放射からその含有量を制約できるか？
• RQ5 W Hyaの質量減少率の時間的変化はどのようなもので、最近のピークはいつ発生したか？

主な発見

• W Hyaのほこりスペクトルは、非晶質Al2O3で支配される重力的に束縛されたほこりの殻（GBDS）によって最もよく説明され、観測された赤外線過剰と散乱光の割合を説明している。
• 熱赤外域におけるケイ酸塩放射は、40 AUを超えた領域から発生しており、そのような大半の距離で可視化されるためには、顕著な近赤外領域での光学的厚さが必要である。
• 大半の距離でケイ酸塩の近赤外領域での光学的厚さが増加する現象は、CO線プロファイルから推定される膨張速度の急激な上昇と一致している。
• モデルはカルシウムがほこりの一部である可能性を示唆しているが、カルシウムを含む種の光学定数が限られているため、正確な含有量の定量は困難である。
• W Hyaの最近の質量減少歴は、約3,500年前にピークが来ており、その持続期間は約300年間であり、現在の水準の20倍に達する高い質量減少率を示している。
• 以前の低質量減少率段階（現在の水準の2倍低い）は約2,500年間続いたが、その間に生成されたほこりは現在、500〜4,000 AUの領域に存在している。