[論文レビュー] Molecular line study of the S-type AGB star W Aquilae. ALMA observations of CS, SiS, SiO and HCN

M. Brunner, T. Danilovich+6 more|Lirias (KU Leuven)|Jun 5, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、S型のAGB星W Aquilaeの周囲星間環境におけるCS、SiS、30SiS、29SiO、およびH13CNの径方向同位体組成分布を、高分解能ALMA観測を用いてモデル化する。発光構造を解像し、空間的に解像された visibilities をフィットすることで、29SiO や H13CN などの希少同位体体が、従来の仮定よりも大きな e-folding 半径を示すことが判明し、S型星における化学的進化および風の力学的制御に関する制約が強化された。

ABSTRACT

Context. With the outstanding spatial resolution and sensitivity of the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA), molecular gas other than the abundant CO can be observed and resolved in circumstellar envelopes (CSEs) around evolved stars, such as the binary S-type Asymptotic Giant Branch (AGB) star W Aquilae. Aims. We aim to constrain the chemical composition of the CSE and determine the radial abundance distribution, the photospheric peak abundance, and isotopic ratios of a selection of chemically important molecular species in the innermost CSE of W Aql. The derived parameters are put into the context of the chemical evolution of AGB stars and are compared with theoretical models. Methods. We employ one-dimensional radiative transfer modeling - with the accelerated lambda iteration (ALI) radiative transfer code - of the radial abundance distribution of a total of five molecular species (CS, SiS, 30SiS, 29SiO and H13CN) and determine the best fitting model parameters based on high-resolution ALMA observations as well as archival single-dish observations. The additional advantage of the spatially resolved ALMA observations is that we can directly constrain the radial profile of the observed line transitions from the observations. Results. We derive abundances and e-folding radii for CS, SiS, 30SiS, 29SiO and H13CN and compare them to previous studies, which are based only on unresolved single-dish spectra. Our results are in line with previous results and are more accurate due to resolution of the emission regions.

研究の動機と目的

• W Aquilaeの内側周囲星間環境における主要分子種（CS、SiS、30SiS、29SiO、H13CN）の径方向同位体組成分布を制約すること。
• 空間的に解像されたALMAデータを用いて、これらの種の光球面ピーク濃度および同位体比を特定すること。
• 解像された発光プロファイルと非対称性を組み込むことで、放射線輸送モデルを改善し、事前の仮定への依存を低減すること。
• 観測された組成プロファイルを理論的予測および従来の単一電波望遠鏡研究と比較し、化学的進化モデルの正確性を向上させること。
• 12C/13C などの同位体比がAGB星の進化および風駆動メカニズムに与える含意を調査すること。

提案手法

• 観測された線プロファイルに適合させるために、加速ラムダ反復（ALI）コードを用いた一次元放射線輸送モデルを採用した。
• uv平面における高分解能ALMA可視度を用いて、分子線の径方向発光プロファイルを直接制約した。
• ALMAデータとアーカイブの単一電波観測を組み合わせ、SN比とスペクトルカバレッジを向上させた。
• 2つのモデル設定を検証した：滑らかな拡散流と、非対称性を説明するための追加のデルタ関数型過密度成分を含むモデル。
• χ²最小化法を用いて可視度データにモデルをフィットし、e-folding 半径や濃度を含む最適適合パラメータを導出した。
• 29SiO や H13CN などの同位体体のプロファイルを、28SiO や H12CN などの主同位体体と比較し、径方向分布における乖離を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W Aquilaeの周囲星間環境におけるCS、SiS、30SiS、29SiO、H13CNの径方向同位体組成分布は、従来の単一電波望遠鏡研究とどのように異なるか？
• RQ2 29SiO や H13CN 同位体体の真の e-folding 半径は何か？ また、それらの主同位体体（28SiO や H12CN）とはどのように異なるか？
• RQ3 分子発光の空間的非対称性（例えば、連星軌道に沿った延長）は、組成プロファイルの解釈にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 H12CN/H13CN線比に基づいて導かれるW Aquilaeの12C/13C比は何か？ また、CO同位体体からの推定値（26–29）と比較するとどうなるか？
• RQ5 放射線輸送モデルに過密度成分を組み込むことで、ALMA可視度データへのフィットが著しく改善されるか？

主な発見

• ALMA観測により、CS、SiS、30SiS、29SiO、H13CNの発光が解像され、連星軌道に沿って整列している可能性のある弱い非対称発光を伴うコンパクトなガウス型成分が明らかになった。
• ガウス型成分と同じ位置に追加のデルタ関数型発光成分を組み込むことで、ALMA uvデータへのフィットが著しく改善された。これは、流出中の局所的過密度を示唆している。
• 29SiO や H13CN 同位体体は、従来の仮定よりも大きな e-folding 半径を示し、28SiO や H12CN とは異なる径方向組成プロファイルを示しており、従来のモデル仮定に疑問を呈する。
• 導出されたH12CN/H13CN比は17 ± 6であり、12C/13C比が約17であることを示唆している。これはCO同位体体からの推定値（26–29）よりも低く、同位体比のトレーサーとしての信頼性に潜在的な矛盾を示唆している。
• 5種すべての分子種の径方向組成プロファイルは、従来の研究と整合的であるが、空間分解能のおかげでより高い精度に制約され、モデルの不確実性が低減された。
• 本研究は、空間的に解像されたALMAデータが発光サイズと径方向プロファイルを直接測定可能であり、仮定された関数形への依存を低減し、モデルの独立性を向上させられることを示した。