[論文レビュー] The evolution of planetary nebulae. VIII. True expansion rates and visibility times

R. Jacob, D. Schoênberner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 37被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、放射線流体力学モデルを用いて、星雲のスペクトロスコピックな膨張速度を補正し、惑星星雲（PNe）の真の平均膨張速度が42 km s⁻¹であることを明らかにした。これは一般的に使用されてきた値のほぼ2倍である。この結果、星雲が0.9 pcに達するまでの可視時間は21,000 ± 5,000年へと再評価され、星雲集団の推定や星族合成モデルにおける誕生・死滅率の計算に大きな影響を与える。

ABSTRACT

The visibility time of planetary nebulae (PNe) in stellar systems is an essential quantity for estimating the size of a PN population in the context of general population studies. For instance, it enters directly into the PN death rate determination. The basic ingredient for determining visibility times is the typical nebular expansion velocity, as a suited average over all PN sizes of a PN population within a certain volume or stellar system. The true expansion speed of the outer nebular edge of a PN is, however, not accessible by spectroscopy -- a difficulty that we surmount by radiation-hydrodynamics modelling. We find a mean true expansion velocity of 42 km/s, i.e. nearly twice as high as the commonly adopted value to date. Accordingly, the time for a PN to expand to a radius of, say 0.9 pc, is only 21000 +/- 5000 years. This visibility time of a PN holds for all central star masses since a nebula does not become extinct as the central star fades. There is, however, a dependence on metallicity in the sense that the visibility time becomes shorter for lower nebular metal content. With the higher expansion rate of PNe derived here we determined their local death-rate density as (1.4 +/- 0.5) x E-12 PN pc^{-3} yr^{-1}, using the local PN density advocated by Frew (2008).

研究の動機と目的

• 惑星星雲（PN）の可視時間に関する長年の不確実性を解消し、星雲集団のサイズや誕生・死滅率を推定するための重要なパラメータを明確にすること。
• スペクトロスコピック測定値が、星雲の外側の衝撃波面における真の膨張速度を捉えていないという根本的な制限を解決すること。
• 物理的に自己備わった放射線流体力学モデルを用いて、観測されたスペクトロスコピック速度を補正し、星雲殻の真の膨張速度を導出すること。
• 星族合成モデルにおける星の誕生・死滅率の整合性を検証するために、局所的な星雲死滅率密度を再評価すること。

提案手法

• AGB段階からPN段階に至るまでの全過程を、イオン化駆動型衝撃波と風の相互作用を含めてモデル化する放射線流体力学シミュレーションを用いてPNeの進化を再現した。
• Frew (2008)の経験的補正式に従い、モデルで予測されたHαの表面輝度と半径の関係を照合し、良好な一致を得た。
• 2 kpc以内に位置し、形状が明確に定義された289個の近距離で球状・楕円形のPNeをサンプルとして、スペクトロスコピックな膨張速度を分析した。
• モデルを用いて、観測されたスペクトロスコピック線幅と星雲外縁における真の衝撃波面の膨張速度との間の補正係数を特定した。
• 典型的な星雲半径（0.9 pc）を補正済みの真の膨張速度で割ることで、可視時間（visibility time）を導出した。
• Frew (2008)の局所的PN密度と修正された可視時間に基づき、局所的PN死滅率密度を(1.4 ± 0.5) × 10⁻¹² pc⁻³ yr⁻¹として計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星星雲の外側の衝撃波面における真の膨張速度は何か？ また、スペクトロスコピック測定値とはどのように異なるか？
• RQ2 補正された膨張速度は、星団内における惑星星雲の推定可視時間にどのように影響を与えるか？
• RQ3 修正された可視時間に基づく局所的死滅率密度は何か？ また、観測された白色矮星の誕生率と比較するとどうなるか？
• RQ4 距離スケール、スケール高さ、調査の完全性に関する不確実性は、PN死滅率と白色矮星誕生率の整合性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 金属量は、惑星星雲の可視時間にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 惑星星雲の真の平均膨張速度は42 km s⁻¹であり、これは文献でこれまでに想定されてきた値のおよそ2倍である。
• 星雲が0.9 pcに膨張するまでの可視時間は21,000 ± 5,000年であり、以前の推定よりも顕著に短い。
• この可視時間は中心星質量に依存しない。星雲は中心星の明るさが減少する間も可視性を保つが、星雲の金属量に依存する。
• 金属量が低いほど、線スペクトルの放射率が低下し、イオン化フロントの進行が速いため、可視時間が短くなる。
• 修正された局所的PN死滅率密度は(1.4 ± 0.5) × 10⁻¹² pc⁻³ yr⁻¹であり、Frew (2008)の局所的PN密度と補正済みの可視時間から導出された。
• 系統的不確実性が存在するにもかかわらず、導出されたPN死滅率と白色矮星誕生率の間の良好な一致は、現在の星族合成モデルの整合性を示唆しているが、スケール高さや距離の補正が主な不確実要因のまま残っている。