[論文レビュー] Planetary Nebulae in the Magellanic Clouds: II) Abundances and element production

P. Leisy, M. Dennefeld|ArXiv.org|Sep 14, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用数 65

ひとこと要約

本研究では、LMCおよびSMCの156個の惑星状星雲（PNe）における元素の同質的分析を実施し、PNe内の酸素およびネオンが、とりわけ第3の攪乱上昇およびホットボトム燃焼によって顕著に内部処理を受けることが明らかになった。その結果、酸素やネオンは原始星の初期金属量を信頼性高く示すものではなく、未処理の性質を有するアルゴンが、初期金属量を示すために最も信頼できる指標であると提言される。

ABSTRACT

We present the second part of an optical spectroscopic study of planetary nebulae in the LMC and SMC. The first paper, Leisy & Dennefeld (1996), discussed the CNO cycle for those objects where C abundances were available. In this paper we concentrate more on other elemental abundances (such as O, Ne, S, Ar) and their implications for the evolution of the progenitor stars. We use a much larger sample of 183 objects, of which 65 are from our own observations, where the abundances have been re-derived in a homogeneous way. For 156 of them, the quality of data is considered to be satisfactory for further analysis. We confirm the difficulty of separating Type-I and non-type-I objects in the classical He-N/O diagram, as found in Paper I, a problem reinforced by the variety of initial compositions for the progenitor stars. We observed oxygen variations, either depletion via the ON cycle in the more massive progenitor stars, or oxygen production in other objects. Neon production also appears to be present. These enrichments are best explained by fresh material from the core or from burning shells, brought to the surface by the 3rd dredge-up, as reproduced in recent models, some including overshooting. All the effects appear stronger in the SMC, suggesting a higher efficiency in a low metallicity environment. Neither oxygen nor neon can therefore be used to derive the initial composition of the progenitor star: other elements not affected by processing such as sulfur, argon or, if observed, chlorine, have to be preferred for this purpose. Some objects with very low initial abundances are detected, but on average, the spatial distribution of PNe abundances is consistent with the history of star formation (SF) as derived from field stars in both Clouds.

研究の動機と目的

• LMCおよびSMCの惑星状星雲の大規模サンプルに対して、酸素（O）、ネオン（Ne）、硫黄（S）、アルゴニウム（Ar）など、要素の同質的再導出を行う。
• 特に第3の攪乱上昇およびホットボトム燃焼に起因する星の進化プロセスが、PNeにおける観測された元素分光学的組成に与える影響を調査する。
• 低金属量環境における原始星の初期金属量を、酸素やネオンが信頼性を持って追跡できるかどうかを検証する。
• PNeの元素分光学的組成を用いて、マゼラン銀河の化学的進化を追跡する信頼性について評価する。
• 原始星の初期分光学的組成を測定するのに適した未処理の元素（例：アルゴニウム）を同定する。

提案手法

• 65個のPNeの新しい分光学的観測と、118個の追加PNeの既存データの再分析を統合し、合計183個のPNeを同質的サンプルとして構築した。
• すべての対象に対して一貫した温度および密度診断を用い、イオン化補正係数および元素分光学的組成を導出した。
• 古典的分光学的組成図（例：He-N/O、O-Ne）を用いて傾向を特定し、タイプIと非タイプIのPNeを区別した。
• 第3の攪乱上昇、ホットボトム燃焼、オーバーシュートなどの星の進化プロセスが観測された組成に与える影響を評価した。
• オーバーシュートおよび回転を組み込んだ理論的モデルと観測結果を比較し、予測との整合性を検証した。
• 塩素（Cl）、硫黄（S）、アルゴニウム（Ar）といった主要な要素の検出可能性と信頼性を評価し、線強度および波長カバレッジに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PNeにおける酸素およびネオンの観測組成は、どれほど原始星の初期組成を反映しているか？
• RQ2 第3の攪乱上昇およびホットボトム燃焼の効率は、LMCおよびSMCの金属量に応じてどのように変化するか？
• RQ3 アルゴニウムは未処理の性質を有するため、PNeにおける初期金属量の代理指標として信頼性を持って使用できるか？
• RQ4 低金属量環境では、He-N/O図におけるタイプIと非タイプI PNeの区別がなぜ曖昧になるのか？
• RQ5 現在の可視光分光学的測定法には、硫黄や塩素を測定する際にどのような限界があるか？

主な発見

• PNeにおける酸素およびネオンの分光学的組成は、第3の攪乱上昇およびホットボトム燃焼によって顕著に変化しており、原始星の初期金属量を推定するのに使用できない。
• 第3の攪乱上昇は、SMCのほぼすべてのPNeで発生しており、LMCでは約50％、銀河系ではわずかに一部にとどまる。これは低金属量環境で効率が高いためである。
• ホットボトム燃焼はSMCでより顕著に観測され、高金属量環境よりも低い質量の星で発生しており、理論的モデルと整合的である。
• 星のモデルにおけるオーバーシュートは、酸素核生成を促進し、その後攪乱上昇によってPNeに到達する。これは一部のPNeで酸素分光学的組成が高くなる理由を説明する。
• アルゴニウムは、処理をほとんど受けないため、PNeにおける初期金属量を追跡するための現在唯一信頼できる要素である。塩素の線は弱く、硫黄の分光学的組成測定は弱い線やアクセス不能な波長帯に起因して制限を受ける。
• 多くの既存のスペクトルが品質に劣っており、散乱やバイアスを引き起こしており、特に明るく質量の大きなPNeに偏りが生じ、分光学的組成の信頼性を制限している。