[論文レビュー] IRC+10216 mass loss properties through the study of $\lambda$3mm emission: Large spatial scale distribution of SiO, SiS, and CS

L. Velilla-Prieto, J. Cernicharo+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 62被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、3 mm帯のSiO、SiS、CSの放射を用いて、IRC + 10°216の原始星周囲環境における大規模な空間的分布をマッピングするために、高分解能のALMAおよびIRAM-30m観測を実施した。観測では、数百年にわたる間歇的質量放出を示唆する、塊状でシェル状の構造と、揺らぎのある分圧比が明らかになった。また、不均一性によるUV放射の浸透が、光分解半径を内側にずらすことが判明し、均一な風モデルに疑問を呈する結果となった。

ABSTRACT

The study of the gas in the envelopes surrounding asymptotic giant branch (AGB) stars through observations in the millimetre wavelength range provides information about the history and nature of these molecular factories. Here we present ALMA observations at subarsecond resolution, complemented with IRAM-30m data, of several lines of SiO, SiS, and CS towards the best-studied AGB circumstellar envelope, IRC+10216. We aim to characterise their spatial distribution and determine their fractional abundances mainly through radiative transfer and chemical modelling. The three species display extended emission with several enhanced emission shells. CS displays the most extended distribution reaching distances up to approximately 20''. SiS and SiO emission have similar sizes of approximately 11'', but SiS emission is slightly more compact. We have estimated fractional abundances relative to H$_2$, which on average are equal to f(SiO)$\sim$10$^{-7}$, f(SiS)$\sim$10$^{-6}$, and f(CS)$\sim$10$^{-6}$ up to the photo-dissociation region. The observations and analysis presented here show evidence that the circumstellar material displays clear deviations from an homogeneous spherical wind, with clumps and low density shells that may allow UV photons from the interstellar medium (ISM) to penetrate deep into the envelope, shifting the photo-dissociation radius inwards. Our chemical model predicts photo-dissociation radii compatible with those derived from the observations, although it is unable to predict abundance variations from the starting radius of the calculations ($\sim$10$R_{*}$), which may reflect the simplicity of the model. We conclude that the spatial distribution of the gas proves the episodic and variable nature of the mass loss mechanism of IRC+10216, on timescales of hundreds of years.

研究の動機と目的

• IRC + 10°216の原始星周囲環境におけるSiO、SiS、CSの大規模な空間的分布を特徴づけること。
• 放射線輸送および化学モデルを用いて、これらの分子のH₂に対する分圧比を決定すること。
• 塊状構造および変動する質量放出による、均一な球対称風モデルからのずれを調査すること。
• 宇宙からのUV放射が、環境内での光分解半径に与える影響を評価すること。
• 現在の気相反応化学モデルが、観測された分圧比の揺らぎを再現できない理由を評価すること。

提案手法

• SiO、SiS、CSの複数の回転遷移を対象として、3 mm帯のサブアーキセコンド解像度のALMA観測を取得した。
• 広がりのある放射を回復するために、高感度のIRAM-30m単一電波望遠鏡観測をALMAデータと補完した。
• 観測された輝度分布から、径方向の分圧比プロファイルおよび光分解半径を導出するために放射線輸送モデリングを実施した。
• 光誘起反応および宇宙線駆動反応を含む標準的な気相反応化学モデルを構築し、分子分圧比をシミュレートした。
• モデルを用いて光分解半径を予測し、観測的制約と比較した。
• 方位平均およびチャンネルマップの分析を通じて、強化された放射シェルおよび非均一構造を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRC + 10°216の原始星周囲環境におけるSiO、SiS、CSの大規模な空間的分布はいかなるものか？
• RQ2 SiO、SiS、CSの分圧比は半径とともにどのように変化するか？また、それらは質量放出の歴史を何を示唆するか？
• RQ3 塊や低密度シェルは、宇宙からのUV光子が環境の内部にどれほど深く浸透できるか？
• RQ4 観測された光分解半径は、標準化学モデルの予測と整合しているか？
• RQ5 観測された分圧比の揺らぎは、現在の化学モデルが再現できないのはなぜか？

主な発見

• SiO、SiS、CSは、星から約~20′′まで達する、広がったシェル状の放射構造を示しており、特にCSが最も広がった分布を示した。
• SiOおよびSiSの放射はよりコンパクトで、それぞれ約11′′のサイズを示したが、SiSの放射はSiOよりもわずかに集中していた。
• 平均分圧比は、光分解領域までf(SiO) ~ 10⁻⁷、f(SiS) ~ 10⁻⁶、f(CS) ~ 10⁻⁶（H₂に対する相対値）であった。
• 光分解半径の順序はSiS < SiO < CSであり、SiSが星に最も近い位置で分解し、CSが最も遠くで分解することが確認され、モデル予測と整合的であった。
• 化学モデルは、観測値よりも約1.5倍大きな光分解半径を予測しており、モデルの簡素化が原因であると示唆された。
• 観測された分圧比の揺らぎおよびシェル構造は、数百年にわたる間歇的質量放出を示しており、一定の質量放出率モデルとは整合しない。