[論文レビュー] The evolution of planetary nebulae VII. Modelling planetary nebulae of distant stellar systems

D. Schönberner, R. Jacob+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、1次元の放射流体力学モデルを用いて、金属量が遠方の星団における惑星状星雲（PN）の拡張およびスペクトル的性質に与える影響を調査した。その結果、星風圧ではなく、中心星の放射場による光電離が、特に金属量が低い系においてPNの拡張を駆動していることが判明した。これは、銀河外PNの解像度のないスペクトログラムで観測された線幅を説明するものである。

ABSTRACT

By means of hydrodynamical models we do the first investigations of how the properties of planetary nebulae are affected by their metal content and what can be learned from spatially unresolved spectrograms of planetary nebulae in distant stellar systems. We computed a new series of 1D radiation-hydrodynamics planetary nebulae model sequences with central stars of 0.595 M_sun surrounded by initial envelope structures that differ only by their metal content. At selected phases along the evolutionary path, the hydrodynamic terms were switched off, allowing the models to relax for fixed radial structure and radiation field into their equilibrium state with respect to energy and ionisation. The analyses of the line spectra emitted from both the dynamical and static models enabled us to systematically study the influence of hydrodynamics as a function of metallicity and evolution. We also recomputed selected sequences already used in previous publications, but now with different metal abundances. These sequences were used to study the expansion properties of planetary nebulae close to the bright cut-off of the planetary nebula luminosity function. Our simulations show that the metal content strongly influences the expansion of planetary nebulae: the lower the metal content, the weaker the pressure of the stellar wind bubble, but the faster the expansion of the outer shell because of the higher electron temperature. This is in variance with the predictions of the interacting-stellar-winds model (or its variants) according to which only the central-star wind is thought to be responsible for driving the expansion of a planetary nebula. Metal-poor objects around slowly evolving central stars become very dilute and are prone to depart from thermal equilibrium because then adiabatic expansion contributes to gas cooling. ...abridged abstract.

研究の動機と目的

• 遠方の星団における惑星状星雲（PN）の拡張およびスペクトル的性質に金属量が与える影響を評価すること。
• 非平衡状態における標準的なプラズマ診断法およびイオン化補正係数の信頼性を評価すること。
• 星風圧か中心星の放射によるイオン化が、PN形成および加速において支配的であるかを特定すること。
• マゼラン雲およびバービオ銀河団のPNの解像度のないスペクトログラムにおける観測された線幅プロファイルと、モデル予測を比較すること。
• 進化段階に応じた流体力学的要因が、温度、イオン化度、および速度構造に与える影響を調査すること。

提案手法

• 中心星質量を固定（0.595 M☉）し、金属量を変化させた1次元の放射流体力学的PNモデルをシミュレートした。
• 金属含有量のみが異なる初期の包層構造を用いたモデル系列を計算し、その後流体力学を停止させて平衡状態に達させた。
• 動的および静的モデルからの線スペクトルを分析し、金属量および進化段階に応じた流体力学的効果を分離した。
• 新たな金属量を用いて、再計算された既存のモデル系列を用い、惑星状星雲の明るさ関数の明るさカットオフを調査した。
• 進化段階と速度の進化を関連付けるために、効果的温度（T_eff）およびネバラー励起度（E）を進化指標として用いた。
• マゼラン雲およびミルキーウェイバルジのPN観測と比較して、体積積分された線幅プロファイルからのモデル予測HWHM速度を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に解像度のないスペクトログラムにおいて、金属量は惑星状星雲の拡張速度にどのように影響するか？
• RQ2 低金属量の惑星状星雲において、流体力学的効果が熱的・イオン化平衡からどれほどずれるか？
• RQ3 星風が惑星状星雲の拡張を支配的に駆動しているのか、それとも中心星の放射による光電離がより重要であるのか？
• RQ4 金属量および中心星質量を変化させた放射流体力学モデルで、銀河外PNの観測された線幅プロファイルを説明できるか？
• RQ5 金属量が低い、低密度の進化したPNに特徴的な非平衡状態において、イオン化補正係数およびプラズマ診断法はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 低金属量では星風バブル圧が弱くなるが、電子温度が高いため外層の拡張速度が速くなる。これは、相互作用する星風モデルとは矛盾する。
• 金属量が低いPNでは、中心星の進化が遅いため、非常に希釈化され、顕著な断熱的膨張冷却により熱的平衡から逸脱する。
• 進化した銀河のハロー領域に位置するPNでは、光加熱と線冷却が完全にバランスしていないため、低金属量環境では非平衡状態であることが示唆される。
• 体積積分された線幅プロファイルからのHWHM速度は、[O iii]の最大輝度付近で真の拡張速度を約2倍低く見積もっている。
• マゼラン雲のPNにおける観測されたHWHM速度の進化（5–30 km s⁻¹）は、中心星質量が0.6–0.7 M☉で適切な金属量を持つモデル系列と一致する。
• 異なる金属量および年齢においてもほぼ同一のHWHM速度傾向が観測されることから、星風圧ではなく、光電離がPN拡張を支配する普遍的要因であることが示された。