[論文レビュー] Models of circumstellar molecular radio line emission: Mass loss rates for a sample of bright carbon stars

F. L. Schoeier, H. Olofsson|ArXiv.org|Jan 26, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用数 133

ひとこと要約

本研究では、69個の明るい炭素星の原始的CO電波線放射を、放射線輸送とエネルギー収支の計算を用いてモデル化し、質量放出率、膨張速度、温度構造を導出する。質量放出率は5×10⁻⁹から2×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹の範囲にあり、中央値は2.8×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹である。また、質量放出率、脈動周期、明るさの間には強い相関が見られ、脈動が重要な役割を果たすほこり駆動風モデルを支持する。

ABSTRACT

Using a detailed radiative transfer analysis, combined with an energy balance equation for the gas, we have performed extensive modelling of circumstellar CO radio line emission from a large sample of optically bright carbon stars. We determine some of the basic parameters that characterize circumstellar envelopes (CSEs), e.g., the stellar mass loss rate, the gas expansion velocity, and the kinetic temperature structure of the gas. The derived mass loss rates span almost four orders of magnitude, from 5E-9 up to 2E-5 solar masses per year, with the median mass loss rate being 3E-7 solar masses per year. We estimate that the estimated mass loss rates are typically accurate to 50% within the adopted circumstellar model. The physical conditions prevailing in the CSEs vary considerably over such a large range of mass loss rates. Among other things, it appears that the dust-to-gas mass ratio and/or the dust properties change with the mass loss rate. We find that the mass loss rate and the gas expansion velocity are well correlated, and that both of them clearly depend on the pulsational period and (with larger scatter) the stellar luminosity. Moreover, the mass loss rate correlates weakly with the stellar effective temperature, in the sense that the cooler stars tend to have higher mass loss rates, but there seems to be no correlation with the stellar C/O-ratio. We conclude that the mass loss rate increases with increased regular pulsation and/or luminosity, and that the expansion velocity increases as an effect of increasing mass loss rate (for low mass loss rates) and luminosity.

研究の動機と目的

• 明るい炭素星の周囲ガス環境（CSE）における質量放出率、ガス膨張速度、運動温度構造を、詳細な放射線輸送とエネルギー収支のモデル化を用いて同定すること。
• モデルの仮定と観測制約への感度をテストすることで、質量放出率の決定の信頼性を評価すること。
• 脈動周期、明るさ、効果的温度、C/O比との相関を分析することで、質量放出の物理的駆動要因を調査すること。
• 球対称性や滑らかな質量放出からの逸脱、特に分離したCO殻を持つ星における特徴を特定・特徴づけること。
• 炭素星が銀河間媒体のガス予算に果たす貢献を推定し、銀河化学進化における役割を評価すること。

提案手法

• 連続的質量放出を伴う球対称的で滑らかな定常速度風モデルを、周囲ガス環境に適用した。
• スウェーデン-ESO電波望遠鏡、オンサラ20m電波望遠鏡、NRAO 12m電波望遠鏡の多準位CO線放射データに放射線輸送計算を適用した。
• Mamonら（1988）の光分解モデルを導入し、外側のガス圏でのUV放射によるCO破壊を考慮した。
• CO(1→0)観測からの半径方向輝度プロファイルを用いて、ガス環境のサイズと密度構造を制約し、r⁻²密度則の妥当性を検証した。
• 観測制約（多準位データ、半径方向プロファイル）と理論的モデルを統合し、質量放出率とガス温度プロファイルを導出した。
• モデル結果と観測された温度構造および質量放出傾向を比較することで、ほこり対ガス質量比とほこりの性質を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO電波線放射のモデル化に基づき、明るい炭素星のサンプルにおける質量放出率、膨張速度、温度構造はそれぞれどのように導出されるか？
• RQ2 炭素星において、質量放出率は脈動周期、明るさ、効果的温度、C/O比とどのように相関するか？
• RQ3 観測された半径方向輝度プロファイルがr⁻²密度則からどの程度逸脱しているか。これは、時間的に変化する質量放出または非球対称性を示唆するか？
• RQ4 炭素星は銀河間媒体のガス還還にどの程度寄与しているか。極端な源はどのように比較されるか？
• RQ5 なぜ一部の星（例：分離したCO殻を持つ星）は、標準的な滑らかな風モデルではうまくフィットしないのか？

主な発見

• サンプルの質量放出率は約5×10⁻⁹ M☉ yr⁻¹から約2×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹の範囲にあり、中央値は2.8×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹である。分布は約3×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹の周辺に狭いピークを示している。
• 質量放出率は脈動周期および星の明るさと強く相関しており、効果的温度についても弱い傾向を示す。冷却した星ほど質量放出率が高い傾向にある。
• ガス膨張速度は、低質量放出率域では質量放出率と明るさの両方と増加する傾向を示し、ほこり駆動風機構に脈動が主要な駆動要因であることを支持する。
• 質量放出率と星のC/O比との間に顕著な相関は認められず、C/O比がこれらの星の質量放出を直接制御しているとは考えられない。
• 5つの星が分離したCO殻を示しており、これは過去の質量放出の増加を示唆する。これらの星の現在の質量放出率は低く、殻の質量は年齢とともに増加しており、再発周期が約10⁵年である可能性を示唆する。
• モデルのフィットは、採用した仮定のもとで通常50％以内の精度で達成される。半径方向輝度プロファイルのずれは、一部の事例で時間的に変化する質量放出または非球対称な幾何構造を示唆している。