[論文レビュー] W Hya through the eye of Odin Satellite observations of circumstellar submillimetre H$_2$O line emission

K. Justtanont, P. Bergman+11 more|ArXiv.org|May 11, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 38被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、O豊富なAGB星W Hydraeに向けての地上状態の正方H₂O遷移（557 GHz）について、Odin衛星の観測結果を提示する。これにより、(3.6 ± 1.2) × 10⁻²¹ W cm⁻²の線輝度を持つ原始星周囲の水蒸気線が明らかになった。放射線輸送モデルの結果、質量放出率は(2.5 ± 0.5) × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹、水分子の割合は(2.0 ± 1.0) × 10⁻³と算出され、宇宙の酸素含有量の上限を著しく上回っている。著者らは、これについて、約0.1 M⊕の追加水を供給する可能性を示す、氷の塊の蒸発に起因すると説明している。

ABSTRACT

We present Odin observations of the AGB star W Hya in the ground-state transition of ortho-H2O, 1(10)-1(01), at 557GHz. The line is clearly of circumstellar origin. Radiative transfer modelling of the water lines observed by Odin and ISO results in a mass-loss rate of (2.5 +/- 0.5)E-7 Msol/yr, and a circumstellar H2O abundance of (2.0 +/- 1.0)E-3. The inferred mass-loss rate is consistent with that obtained from modelling the circumstellar CO radio line emission, and also with that obtained from the dust emission modelling combined with a dynamical model for the outflow. The very high water abundance, higher than the cosmic oxygen abundance, can be explained by invoking an injection of excess water from evaporating icy bodies in the system. The required extra mass of water is quite small, on the order of ~ 0.1 earth mass.

研究の動機と目的

• Odin衛星を用いた、AGB星W Hydraeからのサブミリ波長H₂O線放射の測定。
• H₂OおよびCO線データの放射線輸送モデルを用いた、原始星周囲の水分子含有量と質量放出率の特定。
• 観測された高い水分子含有量と宇宙の酸素含有量の上限との間の矛盾の解明。
• W Hydraeの原始星周囲にみられる過剰な水分子の起源の調査。

提案手法

• Odin衛星の自己相関スペクトロメータを用いて、H₂O (1₁₀–1₀₁) 遷移（557 GHz）の高分解能サブミリ波長スペクトルを取得した。
• 原始星環境を制約するため、H₂O線の観測データとして、アーカイブされたISO SWSおよびLWS観測データをOdinデータと統合した。
• 非局所熱的平衡（non-LTE）形式を用いた放射線輸送モデリングにより、H₂O含有量と質量放出率を導出した。
• 動的拡散流モデルを適用し、ダスト放射とCO線データを質量放出率に関連づけた。
• 必要な過剰水分子質量を推定するために、式 M_H₂O = Ṁ(f_H₂O − 10⁻³)(r_H₂O/v)(m_H₂O/m_H₂) を用いた。
• 必要な質量（約0.1 M⊕）とOort帯の推定値を比較することで、氷の塊の蒸発が過剰水分子の供給源として妥当であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OdinおよびISOのH₂O線観測から導かれる、W Hydraeにおける原始星周囲の水分子含有量と質量放出率は何か？
• RQ2 なぜW Hydraeにおける観測されたH₂O含有量は、H₂に対して約10⁻³の宇宙の含有量上限を著しく上回っているのか？
• RQ3 標準の核合成化学を超える追加の水分子供給源によって、高い水分子含有量を説明できるか？
• RQ4 H₂O線から導かれた質量放出率は、CO線およびダスト放射のモデリングによる値とどのように一致するか？
• RQ5 理論的含有量上限と観測結果を整合させるために、どの程度の追加水分子質量が必要か？

主な発見

• Odin衛星は、W Hydraeに向けての地上状態の正方H₂O遷移（557 GHz）を検出しており、線輝度は(3.6 ± 1.2) × 10⁻²¹ W cm⁻²であった。
• OdinおよびISOのH₂O線の放射線輸送モデリングにより、H₂に対して(2.0 ± 1.0) × 10⁻³の水分子含有量が得られ、宇宙の上限（約10⁻³）を著しく上回っていた。
• 導出された質量放出率は(2.5 ± 0.5) × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹であり、CO線およびダスト放射のモデリングによる値と整合的であった。
• 観測された含有量を説明するための過剰水分子質量は(0.1 ± 0.05) M⊕であり、蒸発する氷の塊からの寄与と整合的であった。
• 高い水分子含有量は、IRC+10216に提案されたメカニズムと類似した、蒸発するコメットや小惑星からの水分子の注入によって最もよく説明できる。
• 過剰水分子の推定質量は、Oort帯の質量範囲（14–1000 M⊕）に比べて小さいため、このシナリオは妥当であるとされた。