[論文レビュー] The 12CO/13CO ratio in AGB stars of different chemical type-Connection to the 12C/13C ratio and the evolution along the AGB

S. Ramstedt, H. Olofsson|arXiv (Cornell University)|May 25, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 56

ひとこと要約

本研究では、55個のAGB星（M型、S型、炭素型）の電波ラインデータを用いた詳細な放射平衡輸送モデルを用いて、原始星周囲環境における12CO/13CO比がAGB段階における星の進化と関連することを示す、初めての観測的証拠を提示している。M型星（中央値13）からS型星（26）へ、さらに炭素星（34）へと、12CO/13CO比が系統的に増加することが判明し、炭素星では特に大きなばらつきを示しており、これはAGB進化の最終段階としての炭素星の役割を支持するものである。

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the evolution of the 12C/13C ratio along the AGB through the circumstellar 12CO/13CO ratio. This is the first time a sample including a significant number of M- and S-type stars is analysed together with a carbon-star sample of equal size, making it possible to investigate trends among the different types and establish evolutionary effects. The circumstellar 12CO/13CO abundance ratios are estimated through a detailed radiative transfer analysis of single-dish radio line emission observations. First, the 12CO radiative transfer is solved, assuming an abundance (dependent on the chemical type of the star), to give the physical parameters of the gas, i.e. mass-loss rate, gas expansion velocity, and gas temperature distribution. Then, the 13CO radiative transfer is solved using the results of the 12CO model giving the 13CO abundance. Finally, the 12CO/13CO abundance ratio is calculated. The circumstellar 12CO/13CO abundance ratio differs between the three spectral types. This is consistent with what is expected from stellar evolutionary models assuming that the spectral types constitute an evolutionary sequence; however, this is the first time this has been shown observationally for a relatively large sample covering all three spectral types. The median value of the 13CO abundance in the inner circumstellar envelope is 1.6x10^-5, 2.3x10^-5, and 3.0x10^-5 for the M-type, S-type, and carbon stars of the sample, respectively, corresponding to 12CO/13CO abundance ratios of 13, 26, and 34, respectively. Interestingly, the abundance ratio spread of the carbon stars is much larger than for the M- and S-type stars, even when excluding J-type carbon stars, in line with what could be expected from evolution on the AGB. We find no correlation between the isotopologue ratio and the mass-loss rate, as would be expected if both increase as the star evolves.

研究の動機と目的

• AGB段階における12C/13C同位体比の進化を、周囲の12CO/13CO濃度比を測定することで調査すること。
• M型、S型、炭素星が進化的順序を形成しているかどうかを、異なるタイプ間での同位体比を比較することで検証すること。
• 質量放出率が同位体比に与える影響を評価し、進化段階と相関すると予想されるが、その仮定に疑問を呈すること。
• 周囲の12CO/13CO比が、星の固有の12C/13C比をどれだけ正確に反映しているかを評価すること。
• AGB星と後-AGB天体との間の進化的関連性を、進化段階ごとの同位体比を比較することで探ること。

提案手法

• 異なる化学的性質を持つ55個のAGB星について、単一電波アンテナを用いて複数の12COおよび13CO遷移を観測した。
• モンテカルロ法に基づく3次元非局所熱平衡放射平衡輸送コードを用い、周囲環境における放射平衡輸送をモデル化した。
• 統計的平衡方程式とエネルギー収支を自己無撞撃的に解き、スペクトルエネルギー分布（SED）からの熱的ダスト放射を含めた。
• 最初に12COの放射をモデル化して物理的パラメータ（質量放出率、膨張速度、温度構造）を導出し、その後それらを用いて13COの濃度を導出した。
• 導出された13CO濃度と12CO光学厚さから、12CO/13CO濃度比を計算した。
• 類似したコードとの比較を通じて、放射平衡モデルの信頼性と一貫性をベンチマークした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGB進化モデルが予測するように、M型星からS型星、炭素星にかけて、周囲環境における12CO/13CO比が系統的に増加するか？
• RQ2 12CO/13CO比と質量放出率の間に相関があるか。これは、両者がAGB段階での経過時間とともに増加すると予想されるが、その仮定は妥当か？
• RQ3 AGB星における観測された同位体比と、後-AGB天体におけるものとの比較は、両者間の進化的関連性を示唆するか？
• RQ4 観測された12CO/13CO比が、星の固有の12C/13C比をどの程度正確に反映しているか。また、正確な濃度決定には詳細な放射平衡輸送が必要か？
• RQ5 なぜ炭素星における12CO/13CO比のばらつきが、M型星やS型星と比べて顕著に大きいのか？

主な発見

• M型星では中央値13、S型星では26、炭素星では34に達する12CO/13CO濃度比の中央値が、M型からC型への進化的順序を支持する。
• 内側の周囲環境における13CO濃度は、M型星で1.6 × 10⁻⁵、S型星で2.3 × 10⁻⁵、炭素星で3.0 × 10⁻⁵であり、進化段階に伴い13C濃度が系統的に増加していることを示している。
• 12CO/13CO比のばらつきは、90百分位数/10百分位数の比として測定され、M型星では4、S型星では3、炭素星では15であり、後者はAGB進化に伴うものであり、炭素星形成前の12Cの対流混合作用が限定的であることに一致する広い分布を示している。
• 12CO/13CO比と質量放出率の間に有意な相関は認められず、AGBでの経過時間とともに両者が単調に増加するとする仮定に疑問を呈している。
• 詳細な放射平衡輸送モデルを用いて導出した周囲の12CO/13CO比は、星の固有の12C/13C比を代表しており、進化のトレーサーとしての使用が妥当であることを裏付けた。
• 後-AGB天体における同素体比分布は、炭素星よりもM型AGB星に近いものであり、M型星から進化する可能性があるか、または後-AGB天体が質量の大きな前身星に偏っている可能性を示唆している。