[論文レビュー] Probing the mass-loss history of AGB and red supergiant stars from CO rotational line profiles I. Theoretical model -- Mass-loss history unravelled in VY CMa

L. Decin, S. Hony+4 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 13, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 66被引用数 99

ひとこと要約

本稿では、AGB星および赤超巨星の質量減少歴を再構築するためにCO回転遷移線のプロファイルをモデル化する非局所温度平衡（non-LTE）放射移動コードを提示する。VY CMaに適用した結果、約1000年前に約3.2×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹の高質量減少が約100年間継続したことが判明。これに先立って800年間は低質量減少（約1×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹）が続いた。現在の質量減少率は約8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹である。

ABSTRACT

Context: Mass loss plays a dominant role in the evolution of low mass stars while they are on the Asymptotic Giant Branch (AGB). The gas and dust ejected during this phase are a major source in the mass budget of the interstellar medium. Recent studies have pointed towards the importance of variations in the mass-loss history of such objects. Aims: By modelling the full line profile of low excitation CO lines emitted in the circumstellar envelope, we can study the mass-loss history of AGB stars. Methods: We have developed a non-LTE radiative transfer code, which calculates the velocity structure and gas kinetic temperature of the envelope in a self-consistent way. The resulting structure of the envelope provides the input for the molecular line radiative calculations which are evaluated in the comoving frame. The code allows for the implementation of modulations in the mass-loss rate. This code has been benchmarked against other radiative transfer codes and is shown to perform well and efficiently. Results: We illustrate the effects of varying mass-loss rates in case of a superwind phase. The model is applied to the well-studied case of VY CMa. We show that both the observed integrated line strengths as the spectral structure present in the observed line profiles, unambiguously demonstrate that this source underwent a phase of high mass loss (~ 3.2E-4 Msun/yr) some 1000 yr ago. This phase took place for some 100 yr, and was preceded by a low mass-loss phase (~ 1E-6 Msun/yr) taking some 800 yr. The current mass-loss rate is estimated to be in the order of 8E-5 Msun/yr. Conclusions: In this paper, we demonstrate that both the relative strength of the CO rotational line profiles and the (non)-occurrence of spectral structure in the profile offer strong diagnostics to pinpoint the mass-loss history.

研究の動機と目的

• 周囲星間環境における速度構造、力学的温度、分子線放出を自己一貫的にモデル化する非局所温度平衡（non-LTE）放射移動コードの開発。
• AGB星および赤超巨星における時間依存的質量減少歴の診断として、CO回転遷移線プロファイルの利用。
• VY CMaを、複雑なネビュラ構造を示すよく研究された赤超巨星として、モデルのテストに用いる。
• スペクトル線の形状と強度が、過去の質量減少率、特に断続的イベントを一意に制約できるかを検証。
• 既存のモデルと比較してコードの正確性と効率性をベンチマーク化。

提案手法

• コードは、加熱および冷却プロセスを含む、周囲星間環境におけるガス力学のエネルギーおよび運動量方程式を解く。
• ダスト-ガス結合、放射加熱、CO回転遷移による冷却を考慮して、力学的温度構造を自己一貫的に計算。
• 非局所温度平衡（non-LTE）の準位分布を用いて、共動フレームで分子線放出を計算。CO回転遷移はJ=7–6までをカバー。
• 時間依存的質量減少率を許容するため、断続的または変調された質量減少のシミュレーションが可能。
• コードの性能と正確性を確認するため、既存の放射移動コードと比較してベンチマークを実施。
• 観測されたVY CMaのCO線プロファイル（J=1–0からJ=7–6まで）にモデルを適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGB星および赤超巨星の時間依存的質量減少歴を、CO回転遷移線プロファイルが一意に制約できるか？
• RQ2 VY CMaで観測されたCO線形状を再現するには、どのような物理的条件（温度、速度構造）が必要か？
• RQ3 VY CMaは過去に高質量減少期を経験したか？もしそうであれば、その持続期間と減少率は何か？
• RQ4 質量減少率の変動が、CO線の相対的強度およびスペクトル構造にどのように影響するか？
• RQ5 VY CMaの観測されたネビュラ形状は、線プロファイル解析から推定された質量減少歴と整合性があるか？

主な発見

• VY CMaは約1000年前に、約3.2×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹の高質量減少期を経験しており、その持続期間は約100年間であった。
• この高質量減少期の直前には、約1×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹の低質量減少が800年間継続していた。
• 現在の質量減少率は約8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹であり、ピーク時の値より著しく低い。
• モデルは、CO線の相対的強度およびスペクトル構造（例：二重ピーク構造）が、過去の質量減少変動を強く示す診断指標であることを示している。
• 導出された質量減少歴は、ハッブル宇宙望遠鏡および近赤外線観測で得られた、星から1′′〜7′′の距離に位置するネビュラアークや凝縮構造と整合性がある。
• 定常的質量減少を仮定すると、星の進化歴を著しく不完全に捉えることになることが示された。