[論文レビュー] The wind of W Hya as seen by Herschel - I. The CO envelope

T. Khouri, A. de Koter+26 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、W Hydraeという酸素豊富なAGB星のCO風を、Herschelおよび地上観測データを用いてモデル化し、放射線輸送と分子線放出コードを組み合わせて、質量放出、速度則、同位体比を制約した。風の初期加速は遅く（β = 5）、12C/13C比は18 ± 10であった。20弧秒を超える領域では、モデル予測を上回る過剰なダスト放出が観測され、大半の半径に追加の質量が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Asymptotic giant branch (AGB) stars lose their envelopes by means of a stellar wind whose driving mechanism is not understood well. Characterizing the composition and thermal and dynamical structure of the outflow provides constraints that are essential for understanding AGB evolution, including the rate of mass loss and isotopic ratios. We modeled the CO emission from the wind of the low mass-loss rate oxygen-rich AGB star W Hya using data obtained by the HIFI, PACS, and SPIRE instruments onboard the Herschel Space Observatory and ground-based telescopes. $^{12}$CO and $^{13}$CO lines are used to constrain the intrinsic $^{12}$C/$^{13}$C ratio from resolved HIFI lines. The acceleration of the outflow up to about 5.5 km/s is quite slow and can be represented by a beta-type velocity law with index 5. Beyond this point, acceleration up the terminal velocity of 7 km/s is faster. Using the J=10-9, 9-8, and 6-5 transitions, we find an intrinsic $^{12}$C/$^{13}$C ratio of $18\pm10$ for W Hya, where the error bar is mostly due to uncertainties in the $^{12}$CO abundance and the stellar flux around 4.6 $μ$m. To match the low-excitation CO lines, these molecules need to be photo-dissociated at about 500 stellar radii. The radial dust emission intensity profile measured by PACS images at 70 $μ$m shows substantially stronger emission than our model predicts beyond 20 arcsec. The initial slow acceleration of the wind implies inefficient wind driving in the lower part of the envelope. The final injection of momentum in the wind might be the result of an increase in the opacity thanks to the late condensation of dust species. The derived intrinsic isotopologue ratio for W Hya is consistent with values set by the first dredge-up and suggestive of an initial mass of 2 M$_\odot$ or more. However, the uncertainty in the main-sequence mass derived based on this isotopologic ratio is large.

研究の動機と目的

• 高分解能スペクトルデータを用いて、W HydraeのCO風の力学的・熱的構造を特徴づけること。
• 12COおよび13COの解像されたHIFI線をモデル化することで、固有の12C/13C同位体比を特定すること。
• モデル化されたダスト連続スペクトルとPACS観測を比較することで、ダストが風を駆動する役割を評価すること。
• 20弧秒を超える領域で観測された過剰なダスト放出の原因を調査すること。
• 原始星周囲エンベロープ内の質量放出率、速度則、CO解離半径を制約すること。

提案手法

• 最先端の分子線放出コードとダスト連続スペクトル放射線輸送コードを組み合わせ、CO線プロファイルおよび熱的ダスト放射をモデル化した。
• HerschelのHIFI機器による高分解能12COおよび13CO線を用い、励起状態およびビーム拡散を補正することで、固有の12C/13C比を導出した。
• 風の加速をβ型速度則（指数β = 5）でモデル化し、最終速度に近づくと加速が速くなるように設定した。
• 一定の質量放出率（1.3 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹）と温度のべき乗則指数0.65を用い、観測された線プロファイルに適合させた。
• モデルの70 µmでのダスト放射とPACS画像を比較し、半径方向の強度プロファイルの一致を評価した。
• 低J CO線強度の不一致を説明するために、破れた温度則や可変な質量放出率を含む代替モデルを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W HydraeのCO風を支配する速度則は何か？また、半径に応じてどのように変化するか？
• RQ2 W Hydraeにおける固有の12C/13C同位体比は何か？これは初期質量および進化段階に何を示唆するか？
• RQ3 なぜ低J遷移のCO放射が標準モデルの予測を下回っているのか？
• RQ4 PACS 70 µm画像で観測された20弧秒を超える領域での過剰なダスト放射は、何によって引き起こされているのか？
• RQ5 ダスト形成と光学厚さの変化は、外側のエンベロープにおける運動量移動および風の加速にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 風の加速は、β = 5のβ型速度則で最もよく記述され、最終速度に達するまでの初期段階で加速が遅いことを示している。
• モデルは1.3 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹の質量放出率を予測し、W Hydraeの低質量放出率と整合的である。
• 固有の12C/13C比は18 ± 10として導出され、不確実性の主な要因は12COの濃度と4.6 µmでの星の放射度の不確実性である。
• 観測された低励起CO線を再現するためには、CO分子がおおよそ500スターラジウスの距離で光分解されなければならない。
• モデルの半径方向ダスト強度プロファイルは、20弧秒（800 R⋆）までPACS 70 µm観測と一致するが、それより外側では不足している。
• 20弧秒を超える領域での過剰放射は、過去の質量放出の増加または周囲星間物質との相互作用に起因する追加の物質の存在を示唆している。