[論文レビュー] The Abundance of SiC2 in Carbon Star Envelopes: Evidence that SiC2 is a gas-phase precursor of SiC dust

S. Massalkhi, M. Agúndez+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 78被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、IRAM 30m望遠鏡の観測を用いて、炭素過剰なA型巨星の大多数でSiC2を検出しており、その濃度が包層密度の増加に伴い減少することを明らかにした。結果は、SiC2がSiC塵の主要な気相前駆体である可能性を強く示唆しており、高密度領域では効率的に塵粒子に組み込まれるためである。これは酸素過剰星におけるSiOと類似した挙動である。

ABSTRACT

Silicon carbide dust is ubiquitous in circumstellar envelopes around C-rich AGB stars. However, the main gas-phase precursors leading to the formation of SiC dust have not yet been identified. The most obvious candidates among the molecules containing an Si--C bond detected in C-rich AGB stars are SiC2, SiC, and Si2C. We aim to study how widespread and abundant SiC2, SiC, and Si2C are in envelopes around C-rich AGB stars and whether or not these species play an active role as gas-phase precursors of silicon carbide dust in the ejecta of carbon stars. We carried out sensitive observations with the IRAM 30m telescope of a sample of 25 C-rich AGB stars to search for emission lines of SiC2, SiC, and Si2C in the 2 mm band. We performed non-LTE excitation and radiative transfer calculations based on the LVG method to model the observed lines of SiC2 and to derive SiC2 fractional abundances in the observed envelopes. We detect SiC2 in most of the sources, SiC in about half of them, and do not detect Si2C in any source, at the exception of IRC +10216. Most of these detections are reported for the first time in this work. We find a positive correlation between the SiC and SiC2 line emission, which suggests that both species are chemically linked, the SiC radical probably being the photodissociation product of SiC2 in the external layer of the envelope. We find a clear trend in which the denser the envelope, the less abundant SiC2 is. The observed trend is interpreted as an evidence of efficient incorporation of SiC2 onto dust grains, a process which is favored at high densities owing to the higher rate at which collisions between particles take place. The observed behavior of a decline in the SiC2 abundance with increasing density strongly suggests that SiC2 is an important gas-phase precursor of SiC dust in envelopes around carbon stars.

研究の動機と目的

• 炭素過剰A型巨星の周囲包層におけるSiC2、SiC、およびSi2Cの濃度と分布を特定すること。
• Si–C結合を有するSiC2が、SiC塵の形成において気相前駆体として機能するかどうかを検討すること。
• 分子濃度と包層密度の相関関係を調べることで、塵の形成プロセスを推察すること。
• 酸素過剰星における既知の前駆体（例：SiO）と比較し、SiC2の塵核生成における役割を評価すること。
• 星風中での光分解および生成経路を通じて、SiC2とSiCの化学的関連性を確立すること。

提案手法

• IRAM 30m望遠鏡を用いて、25個の炭素過剰A型巨星に対して2 mm帯の発光ライン観測を実施した。
• 観測されたSiC2ラインを解釈するために、LVG法を用いた非局所温度平衡（non-LTE）励起および放射線輸送モデリングを実施した。
• 放射線輸送の解とライン強度に基づき、SiC2の分率濃度を計算した。
• SiC2濃度と包層密度の相関関係を分析し、粒子への組み込み効率を推定した。
• 光分解モデルを用いてSiC2とSiCのライン放出を結びつけ、SiC2からSiCへの化学経路を支持するものとした。
• 酸素過剰星における既知の塵形成プロセス（特にSiOの枯渇傾向）と結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素過剰A型巨星の周囲包層において、SiC2、SiC、およびSi2Cはどれほど広範かつ濃厚に存在するか？
• RQ2 SiC2濃度と包層密度の間に明確な相関関係があるか。その相関は、塵形成に何を示唆するか？
• RQ3 SiC2とSiCの間の化学的関係は何か。外層部でSiC2が光分解してSiCを形成するか？
• RQ4 SiC2濃度が密度に応じて変化する傾向が、SiC2がSiC塵の気相前駆体としての役割を果たしていることを支持するか？
• RQ5 SiC2の挙動は、酸素過剰A型巨星におけるSiOと比較して、どのように異なるか。特に、塵形成に伴う枯渇の観点から検討する。

主な発見

• SiC2は25個の炭素過剰A型巨星のうち22個で検出され、炭素星の包層に広く存在することが示された。
• SiCは観測対象の約半数で検出され、SiCとSiC2のライン強度に正の相関が見られた。
• IRC +10216を除き、Si2Cの有意な検出は得られず、この環境下では希少または不安定である可能性を示唆した。
• SiC2の分率濃度と包層密度の間には明確な逆相関が確認され、密度が高い領域ではSiC2の濃度が低下した。
• 高密度領域におけるSiC2の枯渇は、衝突率の増加に起因する粒子への効率的組み込みを示すものと解釈された。
• 結果は、SiC2が炭素過剰A型巨星におけるSiC塵の主要な気相前駆体であることを強く支持しており、酸素過剰系におけるSiOと類似した挙動を示す。