[論文レビュー] Probing the mass-loss history of AGB and red supergiant stars from CO rotational line profiles - II. CO line survey of evolved stars: derivation of mass-loss rate formulae

E. De Beck, L. Decin+5 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Aug 5, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用数 129

ひとこと要約

本稿では、8つの遷移におけるCO回転準位線幅を用いて、発達した星（AGB星、赤超巨星、イエローハイパージェント星）の質量放出率を推定する解析的式を導出する。非局所熱平衡（non-LTE）放射輸送を円周星周囲状態に適用することで、線の飽和や空間分解能の影響を考慮し、高質量放出率の正確な推定が可能となり、CO(2–1)が最も信頼性の高い単一線推定を提供する。

ABSTRACT

We aim to (1) set up simple and general analytical expressions to estimate mass-loss rates of evolved stars, and (2) from those calculate estimates for the mass-loss rates of asymptotic giant branch (AGB), red supergiant (RSG), and yellow hypergiant stars in our galactic sample. Rotationally excited lines of CO are a very robust diagnostic in the study of circumstellar envelopes (CSEs). When sampling different layers of the CSE, observations of these molecular lines lead to detailed profiles of kinetic temperature, expansion velocity, and density. A state-of-the-art, nonlocal thermal equilibrium, and co-moving frame radiative transfer code that predicts CO line intensities in the CSEs of late-type stars is used in deriving relations between stellar and molecular-line parameters, on the one hand, and mass-loss rate, on the other. We present analytical expressions for estimating the mass-loss rates of evolved stellar objects for 8 rotational transitions of the CO molecule, apply them to our extensive CO data set covering 47 stars, and compare our results to those of previous studies. Our expressions account for line saturation and resolving of the envelope, thereby allowing accurate determination of very high mass-loss rates. We argue that, for estimates based on a single rotational line, the CO(2-1) transition provides the most reliable mass-loss rate. The mass-loss rates calculated for the AGB stars range from 4x10^-8 Msun/yr up to 8x10^-5 Msun/yr. For RSGs they reach values between 2x10^-7 Msun/yr and 3x10^-4 Msun/yr. The estimates for the set of CO transitions allow time variability to be identified in the mass-loss rate. Possible mass-loss-rate variability is traced for 7 of the sample stars. We find a clear relation between the pulsation periods of the AGB stars and their derived mass-loss rates, with a levelling off at approx. 3x10^-5 Msun/yr for periods exceeding 850 days.

研究の動機と目的

• 発達した星の質量放出率を推定するための一般的な解析的式を、CO回転準位線幅を用いて開発すること。
• 高精度な推定のため、質量放出率式の導出にあたって線の飽和および包層の解像度効果を考慮すること。
• 47個の発達した星のサンプルにこれらの式を適用し、質量放出率を導出し、変動を検出すること。
• AGB星における脈動周期と質量放出率の関係を調査すること。
• CO線強度比から12C/13C同素体比を推定し、星の進化状態を示す指標とする。

提案手法

• 共動フレームにおける非局所熱平衡（non-LTE）放射輸送コードを用いて、星周囲状態におけるCO線強度をモデル化する。
• 星のパラメータ（例：光度、温度）とCO線観測量（例：線幅、光学厚さ、積分輝度）との間の解析的関係を導出し、質量放出率を推定する。
• 8つのCO回転準位遷移（J=1–0からJ=8–7）で観測された47個の発達した星にこの形式を適用し、低励起および高励起線をカバーする。
• （V–K）0色指数と経験的温度校正を用いて、星間および星周囲の赤み補正を行う。
• 感度と線の飽和効果のバランスが最良であるため、CO(2–1)線を主な基準として使用する。
• 複数線COデータを用いて、質量放出率の時間的変動を検出し、線強度比から12C/13C比を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線の飽和および解像度を考慮した、発達した星のCO回転準位線幅を用いた質量放出率を信頼性高く推定する解析的式は何か？
• RQ2 発達した星の質量放出率を推定するにあたり、どのCO遷移が最も正確な単一線推定を提供するか？
• RQ3 AGB星および赤超巨星星の質量放出率は、その脈動周期とどのように相関するか？
• RQ4 複数エポックのCO線データから、質量放出率の時間的変動を検出できるか？
• RQ5 発達した星における12C/13C同素体比は何か？また、それは星の進化状態とどのように関係するか？

主な発見

• 導出された解析的式により、8つのCO回転準位遷移において質量放出率の正確な推定が可能であり、CO(2–1)が最も信頼性の高い単一線推定を提供する。
• AGB星の質量放出率は4×10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹から8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹の範囲にあり、赤超巨星では2×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹から3×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹の範囲に分布する。
• サンプルの7つの星で、複数線CO線幅解析により質量放出率の時間的変動の兆候が検出された。
• AGB星において脈動周期と質量放出率の明確な相関が存在し、850日を超える周期では約3×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹のプラトーに達する。
• 12C/13C同素体比はCO線強度比から導出され、化学的進化および星の進化状態の指標として有効である。
• 本手法は線の飽和および空間分解能を適切に考慮できており、最大約10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹の高質量放出率の堅牢な推定が可能である。