[論文レビュー] Synthetic photometry for carbon-rich giants. III. Tracing the sequence of mass-losing galactic C-type Miras

W. Nowotny, B. Aringer+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 79被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、脈動とチリ駆動風を自己自己一貫的にシミュレートすることで、ジョンソン＝カウジンズ＝グラスおよび2MASSフィルタをカバーする合成的光度測定を再現する、炭素豊富なミラ変星の動的で時間に依存するモデル大気の連続体を提示する。モデルは、弱い質量放出を示し青傾きの星から、重度にチリに覆われ、赤く、非常に変動が激しい対象へと、銀河内C型ミラの進化系列を的確に再現し、観測された光度的多様性の主因は質量放出率であることを示している。

ABSTRACT

With the help of model calculations we aim at reproducing the observational photometric findings for a large sample of well-characterised galactic C-type Mira variables losing mass at different rates. We used dynamic model atmospheres, describing the outer layers of C-rich Miras, which are severly affected by dynamic effects. Based on the resulting structures and under the assumptions of chemical equilibrium as well as LTE, we computed synthetic spectra and synthetic broad-band photometry (Johnson-Cousins-Glass). A set of five representative models with different stellar parameters describes a sequence from less to more evolved objects with steadily increasing mass-loss rates. This allowed us to study the significant influence of circumstellar dust on the spectral energy distributions and the (amplitudes of) lightcurves in different filters. We tested the photometric properties (mean NIR magnitudes, colours, and amplitudes) and other characteristics of the models (mass-loss rates, periods, and bolometric corrections) by comparing these with the corresponding observational data adopted from the literature. Using different kinds of diagrams we illustrate where the models are located in a supposed evolutionary sequence defined by observed C-type Mira samples. Based on comparisons of galactic targets with empirical relations derived for C stars in the Large Magellanic Cloud we discuss the relevance of metallicity and excess carbon (C--O) for the development of dust-driven winds. Having investigated the dynamic model atmospheres from different (mainly photometric) perspectives, we conclude that our modelling approach (meaning the combination of numerical method and a suitable choice of model parameters) is able to describe C-rich long-period variables over a wide range of mass-loss rates, i.e., from moderately pulsating objects without any dusty wind to highly dust-enshrouded Carbon Miras.

研究の動機と目的

• 銀河のAGB段階における質量放出を示すC豊富なミラ変星の全系列をモデル化すること。初期段階ではやや脈動的でチリのない星から、高度にチリに覆われ、進化した対象へと至る。
• 脈動とチリ駆動風といった動的大気過程が、C型ミラの観測された光度的性質をどのように共同で決定するかを調査すること。
• 時間に依存するダイナミクスとチリ形成に基づく単一の自己自己一貫的モデルフレームワークが、観測された明るさ、色、光曲線振幅の多様性を再現できるかどうかを検証すること。
• 金属量と過剰炭素（C–O）がチリ形成と風発達に与える影響を、大マゼラン雲からの経験的関係を用いて評価すること。
• 複数の図（CMD、2色図など）における合成的光度測定と観測データの比較を通じて、モデルの予測能力を検証すること。

提案手法

• 脈動誘発ショックとC豊富環境におけるチリ形成を自己自己一貫的に含む時間に依存する動的モデル大気を採用した。
• 進化系列をカバーするため、光度、脈動速度、質量放出率、風の拡張速度といった異なる星のパラメータを有する5つの代表的モデルを用いた。
• 周波数依存の放射移動とL谷/化学平衡の仮定に基づき、11個のバンドパスフィルタ（BVRIJHKL′M）をカバーする合成スペクトルと光度測定を計算した。
• 質量放出率をモデルの動的結果として得るものとし、入力パrameterとして扱わず、自己自己一貫的な風発達を保証した。
• 文献からの観測データ（合成的明るさ、色、振幅、全放射補正）と比較することで、モデルを検証した。
• 複数の診断図（例：$\dot{M}$ 対 $J-K$、$\Delta K$ 対 $J-K$、$K$–log$P$）を用い、モデルの位置を観測されたC型ミラ集団と相対的にマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己自己一貫的なチリ形成を有する動的モデル大気は、異なる質量放出段階における銀河内C型ミラの観測された光度的多様性を再現できるか？
• RQ2 脈動とチリ駆動風が、C豊富なAGB星のスペクトルエネルギー分布および光度測定変動にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ3 観測されたC型ミラの系列が、質量放出率の増加とどの程度相関しており、それがモデルで定量的に再現可能か？
• RQ4 金属量と過剰炭素（C–O）が、LMCのC星関係式との比較から得られるチリ駆動風の発達に与える影響は何か？
• RQ5 モデルは、複数のフィルタで同時に平均明るさ、色、光曲線振幅を再現できるか？

主な発見

• モデルの系列は、青傾きで振幅が小さい変星から、赤く強く赤化され、振幅が大きい対象へと至る、銀河内C型ミラの観測された光度測定系列を的確に再現した。
• 全質量放出率範囲にわたり、観測された近赤外明るさ、色（例：$J-K$）、光度測定振幅（$\Delta K$）が、良好な定量的整合性を示した。
• 動的モデリングの結果として導かれた質量放出率 $\dot{M}$ は、周囲の赤化と光曲線振幅と強く相関しており、それが進化の主因であることを確認した。
• モデルは観測された $K$–log$P$ 関係と $\Delta K$ 対 $J-K$ 趋勢を再現しており、観測された周期-光度関係および色-振幅関係と整合的であることを示した。
• 脈動とチリ形成を動的モデルに組み込むことで、静的モデルに比べて光曲線振幅が著しく増大し、色が赤くなることが示され、実際のミラの観測と一致した。
• 金属量と過剰炭素（C–O）が、チリ駆動風の発生と強度に重要な役割を果たすことが、LMCの経験的関係との比較から裏付けられた。