[論文レビュー] MgS in detached shells around carbon stars. Mining the mass-loss history

S. Hony, J. Bouwman|ArXiv.org|Sep 29, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 29被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、放射線輸送を用いて、炭素星の分離したダスト殻におけるMgSダストをモデル化し、ISO/SWSスペクトルで観測された冷却MgS発光特徴が、これらの殻内のMgS粒子によって説明できることを示した。モデルは、MgSが殻の半径に位置することを確認しており、これは殻が炭素豊富な進化段階中に形成されたことを裏付け、MgS特徴のプロファイルが粒子温度から殻の距離を推定可能であることを示している。

ABSTRACT

We investigate the dust composition of detached shells around carbon stars, with a focus to understand the origin of the cool magnesium-sulfide (MgS) material around warm carbon stars, which has been detected around several of these objects. We build a radiative transfer model of a carbon star surrounded by an expanding detached shell of dust. The shell contains amorphous carbon grains and MgS grains. We find that a small fraction of MgS dust (2% of the dust mass) can give a significant contribution to the IRAS 25 micron flux. However, the presence of MgS in the detached shell cannot be inferred from the IRAS broadband photometry alone but requires infrared spectroscopy. We apply the model to the detached-shell sources R Scl and U Cam, both exhibiting a cool MgS feature in their ISO/SWS spectra. We use the shell parameters derived for the molecular shell, using the CO submillimetre maps. The models, with MgS grains located in the detached shell, explain the MgS grain temperature, as derived from their ISO spectra, very well. This demonstrates that the MgS grains are located at the distance of the detached shell, which is a direct indication that these shells originate from a time when the stellar photosphere was already carbon-rich. In the case of R Scl, the IRAS photometry is simultaneously explained by the single shell model. In the case of U Cam, the IRAS photometry is under predicted, pointing to a contribution from cooler dust located even further away from the star than the molecular shell. We present a simple diagnostic to constrain the distance of the shell using the profile of the MgS emission feature. The emission feature shifts to longer wavelength with decreasing grain temperature. One can therefore infer a temperature and a corresponding distance to the star from the observed profile. (abridged)

研究の動機と目的

• 分離したダスト殻を伴う炭素星における冷却MgSダストの起源と位置を調査する。
• MgS粒子が分子殻と同一位置にあるかどうかを特定し、殻の噴出時における星の化学的状態を推定する。
• MgS発光特徴のプロファイルを用いた診断ツールを開発し、粒子温度から殻の距離を推定する。
• IRASの広帯域フィルタ測光がMgSを検出できる限界を評価し、赤外分光法の必要性を検証する。
• 高精度なISO/SWSデータと解像された分子殻を有する特定の星（R SclおよびU Cam）にモデルを適用する。

提案手法

• アモルファス炭素とMgS粒子を含む分離したダスト殻を持つ炭素星の放射線輸送モデルを構築する。
• Lindqvistら（1999年）、SchöierとOlofsson（2001年）によるCO準ミリ波長マップから導かれた殻パラメータをモデルの入力として使用する。
• R SclおよびU Camの観測されたISO/SWSスペクトルとIRAS測光データを、モデルから得られた合成スペクトルと比較する。
• MgS発光特徴のプロファイルの温度依存性を応用し、粒子温度を推定し、その結果として殻の距離を推定する。
• 全放射光度と視角半径を用いて、弱いMgS特徴を示す追加の星の殻半径を推定する。
• MgS質量分率と殻半径を変化させたモデルのグリッドを用い、スペクトル特徴がダスト組成と幾何学的配置にどれほど敏感であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離したダスト殻を伴う炭素星において、MgS粒子は分子殻と同じ距離に位置しているか？
• RQ2 MgS発光特徴のプロファイルを用いて、ダスト殻の温度と距離を推定できるか？
• RQ3 分離した殻にMgSが存在することは、星が殻の噴出時に炭素豊富であったことを示唆するか？
• RQ4 星が光学的に明るく高温であるにもかかわらず、なぜMgS特徴は冷却として観測されるのか？
• RQ5 IRASの広帯域フィルタ測光はMgSをどの程度検出可能か、あるいは分光法が不可欠か？

主な発見

• MgSダストのわずかな割合（ダスト質量の2％）が、IRAS 25 μmの放射に顕著な寄与を示すが、広帯域測光のみではその存在を確認できない。
• R SclおよびU CamにおけるMgS発光特徴は、分離した分子殻の距離に位置するMgS粒子によって最もよく説明され、両者の空間的共存が確認された。
• R Sclの殻は、IRAS測光とISO/SWSスペクトルの両方に一致する単一殻モデルと整合的である。
• U Camの殻ではIRAS測光が予測を下回っており、分子殻の外側にさらなる冷却ダストが存在することを示唆している。
• MgS特徴のプロファイルは、粒子温度が低下するにつれて長波長側にシフトし、観測されたプロファイルから殻の距離を推定する診断手法として利用可能である。
• MgS特徴の温度依存性により、SED解釈における曖昧さが解消され、将来的にSIRTFやSOFIAなどの機器を用いた距離制約が可能になる。