[論文レビュー] On the physical structure of IRC+10216. Ground-based and Herschel observations of CO and CCH

E. De Beck, R. Lombaert+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、地上およびHerschel/HIFIによるCOおよびC2Hの観測を用いて、IRC+10216の原始星周囲円盤の包括的な放射平衡輸送モデルを提示する。このモデルは、三段階の温度べき乗則的構造を明らかにし、強い高J状態C2H線を説明するための放射励起が不可欠であることを示している。モデルは、高J状態C2H遷移と、J=1-0線の干渉計的マップを整合させることに成功し、炭素豊富なAGB星の噴出における長年の励起パズルを解消した。

ABSTRACT

The C-rich AGB star IRC+10216 undergoes strong mass loss, and quasi-periodic density enhancements in the circumstellar matter have been reported. CO is ubiquitous in the CSE, while CCH emission comes from a spatially confined shell. With the IRAM 30m telescope and Herschel/HIFI, we recently detected unexpectedly strong emission from the CCH N=4-3, 6-5, 7-6, 8-7, and 9-8 transitions, challenging the available chemical and physical models. We aim to constrain the physical properties of IRC+10216's CSE, including the effect of episodic mass loss on the observed emission. In particular, we aim to determine the excitation region and conditions of CCH and to reconcile these with interferometric maps of the N=1-0 transition. Via radiative-transfer modelling, we provide a physical description of the CSE, constrained by the SED and a sample of 20 high-resolution and 29 low-resolution CO lines. We further present detailed radiative-transfer analysis of CCH. Assuming a distance of 150pc, the SED is modelled with a stellar luminosity of 11300Lsun and a dust-mass-loss rate of 4.0 imes10^{-8}Msun/yr. Based on the analysis of 20 high resolution CO observations, an average gas-mass-loss rate for the last 1000yrs of 1.5 imes10^{-5}Msun/yr is derived. This gives a gas-to-dust-mass ratio of 375, typical for an AGB star. The gas kinetic temperature throughout the CSE is described by 3 powerlaws: it goes as r^{-0.58} for r<9R*, as r^{-0.40} for 9<=r<=65R*, and as r^{-1.20} for r>65R*. This model successfully describes all 49 CO lines. We show the effect of wind-density enhancements on the CCH-abundance profile, and the good agreement of the model with the CCH N=1-0 transition and with the lines observed with the 30m telescope and HIFI. We report on the importance of radiative pumping to the vibrationally excited levels of CCH and the significant effect this has on the excitation of all levels of the CCH-molecule.

研究の動機と目的

• 多ラインCOおよびC2H観測を用いて、IRC+10216の原始星周囲円盤の物理的構造を制約すること。
• 高J状態C2H線と空間的に局在したJ=1-0線の発光殻の間の不一致を解消すること。
• C2Hの高エネルギー回転準位を励起する放射励起の役割を特定すること。
• 多周波数CO線データと整合する質量放出率およびガス対ダスト比を導出すること。
• 周期的な密度増加がC2Hの濃度および発光プロファイルに与える影響をモデル化すること。

提案手法

• 可変な密度および温度構造を持つ球対称かつ時間平均的な風モデルを用いて、COおよびC2Hの放射平衡輸送モデリングを行う。
• 観測されたCO線プロファイル（20本の高分解能、29本の低分解能）にフィットさせ、ガス質量放出率および温度べき乗則を導出する。
• ダストの光学厚さおよび恒星の全放射出力（11,300 L☉）を考慮し、150 pcの距離におけるスペクトルエネルギー分布をモデル化する。
• C2Hの高J回転遷移を説明するため、振動励起（ν₂=1）および放射励起効果を組み込む。
• C2HをΣ状態分子として近似し、純粋な回転遷移を扱うが、曲げ振動モードおよびストレッチモードも考慮する。
• IRAMおよびHerschel/HIFIによる高J線強度と、C2H J=1-0遷移の干渉計的マップとを比較して、モデル予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRC+10216の原始星周囲円盤における半径方向の温度構造は何か？ また、異なる半径でどのように変化するか？
• RQ2 過去1,000年間の高分解能CO線プロファイルから推定されるガス質量放出率は何か？
• RQ3 低運動温度であるにもかかわらず、C2Hの高J回転遷移（J=4-3から9-8）からの強い発光はどのように説明できるか？
• RQ4 C2Hの空間的分布は何か？ また、J=1-0遷移の干渉計的マップと比較するとどうなるか？
• RQ5 振動励起状態からの放射励起が、C2Hの回転準位の励起にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 原始星周囲円盤は三段階の温度プロファイルを示す：T ∝ r^−0.58（r ≤ 9 R⋆）、T ∝ r^−0.40（9 ≤ r ≤ 65 R⋆）、T ∝ r^−1.20（r ≥ 65 R⋆）。
• 過去1,000年間のガス質量放出率は1.5 × 10⁻⁵ M☉ yr⁻¹であり、ダスト質量放出率は4.0 × 10⁻⁸ M☉ yr⁻¹である。
• ガス対ダスト質量比は375であり、炭素豊富なAGB星の典型的な値と整合する。
• 特にν₂=1状態への振動励起からの放射励起が、観測された強い高J状態C2H遷移を説明するために不可欠である。
• モデルは、J=9-8までのC2H線強度をうまく再現し、干渉計的マップで観測されたJ=1-0線の空間的形状とも一致する。
• 曲げモードおよびストレッチモードの振動モードを組み込むことで、C2Hの高エネルギー回転準位への分布が著しく向上し、励起のパラドックスが解消された。