[論文レビュー] Sulphur-bearing molecules in AGB stars I: The occurrence of hydrogen sulfide

T. Danilovich, M. Van de Sande+5 more|Lirias (KU Leuven)|Jul 19, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 59被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、アペックス望遠鏡を用いた準ミリ波長観測を用いて、赤超巨星（AGB）星の周囲円盤における水素硫化ガス（H₂S）を調査した。H₂Sは、質量放出率が高い酸素過剰のAGB星にのみ検出された。H₂Sのピーク相対濃度はH₂に対して4×10⁻⁷〜2.5×10⁻⁵の範囲にあり、これはH₂Sがこれらの環境において主要な硫黄キャリアーであることを示唆している。特にV1300 AqlおよびGX Monにおいて顕著である。

ABSTRACT

Through a survey of (sub-)millimetre emission lines of various sulphur-bearing molecules, we aim to determine which molecules are the primary carriers of sulphur in different types of AGB stars. In this paper, the first in a series, we investigate the occurrence of H$_2$S in AGB circumstellar envelopes and determine its abundance, where possible. We have surveyed 20 AGB stars with a range of mass-loss rates and of different chemical types using the APEX telescope to search for rotational transition lines of five key sulphur-bearing molecules: CS, SiS, SO, SO$_2$ and H$_2$S. Here we present our results for H$_2$S, including detections, non-detections and detailed radiative transfer modelling of the detected lines. We compare results based on different descriptions of the molecular excitation of H$_2$S and different abundance distributions, including those derived from chemical modelling results. We detected H$_2$S towards five AGB stars, all of which have high mass-loss rates of $\dot{M}\geq 5 imes 10^{-6}M_\odot$ yr$^{-1}$ and are oxygen-rich. H$_2$S was not detected towards the carbon or S-type stars that fall in a similar mass-loss range. For the stars in our sample with detections, we find peak o-H$_2$S abundances relative to H$_2$ between $4 imes 10^{-7}$ and $2.5 imes 10^{-5}$. Overall, we conclude that H$_2$S can play a significant role in oxygen-rich AGB stars with higher mass-loss rates, but is unlikely to play a key role in stars of other chemical types or the lower mass-loss rate oxygen-rich stars. For two sources, V1300 Aql and GX Mon, H$_2$S is most likely the dominant sulphur-bearing molecule in the circumstellar envelope.

研究の動機と目的

• AGB星の周囲円盤における水素硫化ガス（H₂S）の存在と濃度を特定すること。
• 異なる化学的性質を示すAGB星において、H₂Sが硫黄の主要なキャリアーとして果たす役割を評価すること。
• 放射線輸送モデルとマルチライン観測を用いて、H₂Sの濃度分布を制約すること。
• 他の硫黄を含む分子とH₂Sの濃度を比較し、検出された源における全硫黄予算を評価すること。

提案手法

• AGB星20個を対象に、アペックス望遠鏡を用いた準ミリ波長サーベイを実施し、H₂Sおよび他の硫黄を含む分子の回転遷移を検出した。
• 検出されたo-H₂S線について、化学モデルから導かれた2つの濃度分布と、複数のラインが検出された場合にはガウス分布を用いた詳細な放射線輸送モデリングを実施した。
• 衝突による励起消去率をH₂Oの値からスケーリングした3種類の異なる分子データファイルを用い、モデリングの不確実性を評価した。
• 観測されたライン強度と合成スペクトルを比較して、H₂Sの吸収層密度と濃度プロファイルを導出した。
• 非検出例については、H₂S濃度の上限を設定した。
• 信号対雑音比が低いため、完全なモデリングが困難であったが、同位体体線（o-H₂³⁴S、p-H₂S）の濃度の一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの種類のAGB星でH₂Sが検出可能であり、その存在を促進する条件は何か？
• RQ2 検出された源におけるH₂SのH₂に対するピーク濃度はどの程度で、質量放出率や化学的性質に応じてどのように変化するか？
• RQ3 検出された星の周囲円盤において、H₂Sは主要な硫黄を含む分子であるか？
• RQ4 異なる分子データファイルおよび励起モデルが、導かれたH₂S濃度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 H₂Sの発光が強い源において、他の硫黄を含む分子は全硫黄予算にどの程度寄与しているか？

主な発見

• H₂Sは5つのAGB星で検出されたが、いずれも酸素過剰で質量放出率が高い（Ṁ ≥ 5×10⁻⁶ M☉ yr⁻¹）星であった。
• 質量放出率が同程度の炭素星やS型星ではH₂Sの検出は得られず、化学的性質に強く依存していることが示された。
• o-H₂Sのピーク濃度（H₂に対する相対濃度）は、源やモデリング手法に応じて4×10⁻⁷〜2.5×10⁻⁵の範囲にあった。
• V1300 AqlおよびGX Monでは、H₂Sが最も可能性の高い主要な硫黄キャリアーであり、SiS、SO、SO₂と組み合わせた全硫黄濃度が期待値と整合的であった。
• V1300 AqlおよびGX Monの2つの源において、SiS、SO、SO₂、CSの合計濃度が期待される硫黄予算と整合的であり、HSや原子状硫黄の寄与は小さいことが示唆された。
• p-H₂S や o-H₂³⁴S の信頼できる検出が得られなかったため、同位体比の制約や、濃度モデルの妥当性の検証は、より良いデータまたは更新された衝突率係数が得られるまで困難である。