[論文レビュー] The chemical composition of TS 01, the most oxygen-deficient planetary nebula. AGB nucleosynthesis in a metal-poor binary star

G. Stasińska, C. Morisset+11 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 20, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、Cloudy 3D を用いた詳細な光電離モデルと星のモデル大気を用いて、最も酸素が欠乏している惑星状星雲 TS 01 の極端な化学組成を特定した。酸素、炭素、窒素、ネオンの同位体比はそれぞれ太陽値の 1/70、1/3.5、1/4.2、1/11 であり、観測された核合成パターンを再現するには、金属量が低い AGB 星が近接した連星を有しており、回転によって引き起こされる混合が必要であると示された。

ABSTRACT

The planetary nebula TS 01 (also called PN G 135.9+55.9 or SBS 1150+599A), with its record-holding low oxygen abundance and its double degenerate close binary core (period 3.9 h), is an exceptional object located in the Galactic halo. We have secured observational data in a complete wavelength range in order to pin down the abundances of half a dozen elements in the nebula. The abundances are obtained via detailed photoionization modelling taking into account all the observational constraints (including geometry and aperture effects) using the pseudo-3D photoionization code Cloudy_3D. The spectral energy distribution of the ionizing radiation is taken from appropriate model atmospheres. Both stellar components contribute to the ionization: the ``cool'' one provides the bulk of hydrogen ionization, and the ``hot'' one is responsible for the presence of the most highly charged ions, which explains why previous attempts to model the nebula experienced difficulties. The nebular abundances of C, N, O, and Ne are found to be respectively, 1/3.5, 1/4.2, 1/70, and 1/11 of the Solar value, with uncertainties of a factor 2. Thus the extreme O deficiency of this object is confirmed. The abundances of S and Ar are less than 1/30 of Solar. Standard models of stellar evolution and nucleosynthesis cannot explain the abundance pattern observed in the nebula. To obtain an extreme oxygen deficiency in a star whose progenitor has an initial mass of about 1 msun requires an additional mixing process, which can be induced by stellar rotation and/or by the presence of the close companion. We have computed a stellar model with initial mass of 1 msun, appropriate metallicity, and initial rotation of 100 kms, and find that rotation greatly improves the agreement between the predicted and observed abundances.

研究の動機と目的

• 既知で最も酸素が欠乏している惑星状星雲 TS 01 の主要な元素（C、N、O、Ne、S、Ar、He）の正確な化学同位体比を特定すること。
• 標準的な AGB 核合成モデルでは再現できない、TS 01 の極端な同位体比パターンを説明する長年の課題を解決すること。
• 金属量が低い AGB 星における回転または連星相互作用が、観測された同位体比パターンを再現するために必要な混合プロセスを駆動するかどうかを調査すること。
• 多波長観測制約を用いて、連星の中心星の2つの成分がネビュラの電離にどのように寄与しているかを評価すること。
• 初期回転速度を有する 1 M⊙ の金属量が低い AGB モデルが、特に酸素が低く窒素/炭素比が高いという観測されたネビュラ同位体比を再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• CFHT、ハッブル宇宙望遠鏡、スプツニク宇宙望遠鏡から得た多波長分光観測データを用いて、全電離スペクトルとネビュラ発光スペクトルをカバーした。
• 幾何学的形状、開口部効果、電離構造を組み込んだ擬似3次元光電離コード Cloudy 3D を用いてネビュラをモデル化した。
• 連星の中心星のモデル大気を用いて、電離スペクトルエネルギー分布を導出し、低温および高温の両成分が電離に寄与することを確認した。
• 観測されたライン比（例：[Ne v] λ3426、[Ne iii] λ3869）と電子温度診断を用いてネビュラ同位体比を制約した。
• 初期回転速度（100 km s⁻¹）と金属量を変化させた AGB 演化モデルの予測と、観測されたネビュラ同位体比を比較した。
• 特に質量移動とスピンアップを含む連星相互作用の役割を、標準的な非回転モデルを超える混合を強化する要因として評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星状星雲 TS 01 における C、N、O、Ne、S、Ar、He の正確な同位体比は何か？
• RQ2 なぜ TS 01 は酸素が極端に欠乏しているのか。これは標準的な AGB 核合成モデルとどのように調和できるのか？
• RQ3 金属量が低い AGB 星における星の回転が、酸素が低く窒素/炭素比が高いという観測された同位体比パターンをどの程度説明できるのか？
• RQ4 連星中心星の2つの成分がネビュラの電離にどのように寄与しているのか。なぜ過去のモデルは観測結果を再現できなかったのか？
• RQ5 特に質量移動とスピンアップを通じた連星誘発混合が、TS 01 で観測された極端な同位体比パターンを説明できるのか？

主な発見

• TS 01 のネビュラにおける酸素同位体比は太陽値の 1/70 であり、これにより最も酸素が欠乏している惑星状星雲であることが判明した。
• 炭素、窒素、ネオンの同位体比はそれぞれ太陽値の 1/3.5、1/4.2、1/11 であり、不確実性は ±0.3 dex である。
• 硫黄とアルゴンの同位体比は太陽値の 1/30 未満であり、極端な欠乏を示している。
• ヘリウム同位体比は 12 + log(He/H) = 10.95 ± 0.04 であり、低金属量起源と整合的である。
• ネビュラにおける炭素同位体比は、低温星の大気中の値よりも約 0.8 dex 高く、追加の処理または観測不確実性の可能性を示唆している。
• 標準的な非回転 AGB モデルでは観測された同位体比パターンを再現できないが、初期回転速度 100 km s⁻¹ のモデルでは、特に酸素と窒素について顕著に一致が改善された。