[논문 리뷰] A hydrodynamical study of multiple-shell planetary nebulae. III. Expansion properties and internal kinematics: Theory versus observation

D. Schoênberner, R. Jacob외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 60인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 다중껍질 행 星간 성운에서 가장자리와 충격 후 껍질의 별개의 팽창 속도를 고해상도 에클레 스펙트로스코피로 측정하여, 충격 front 가 시간이 지남에 따라 복사장과 밀도 기울기의 변화로 인해 가속됨을 밝혀내며, 가장자리는 처음에는 감속하다가 다시 가속됨을 보여주어 성운의 진짜 팽창 속도를 가장자리 속도가 나타낸다는 가정을 도전한다.

ABSTRACT

We present the result of a study on the expansion properties and internal kinematics of round/elliptical planetary nebulae of the Milky Way disk, the halo, and of the globular cluster M15. The purpose of this study is to considerably enlarge the small sample of nebulae with precisely determined expansion properties. To this aim, we selected a representative sample of objects with different evolutionary stages and metallicities and conducted high-resolution echelle spectroscopy. In most cases, we succeeded in detecting the weak signals from the outer nebular shell which are attached to the main line emission from the bright nebular rim. Next to the measurement of the motion of the rim gas by decomposition of the main line components into Gaussians, we were able to measure separately, for most objects for the first time, the gas velocity immediately behind the leading shock of the shell, i.e. the post-shock velocity. We more than doubled the number of objects for which the velocities of both rim and shell are known and confirm that the overall expansion of planetary nebulae is accelerating with time. There are, however, differences between the expansion behaviour of the shell and the rim. This observed distinct velocity evolution of both rim and shell is explained by radiation-hydrodynamics simulations, at least qualitatively. Because of the time-dependent boundary conditions, a planetary nebula will never evolve into a simple self-similar expansion. Also the metal-poor objects behave as theory predicts: The post-shock velocities are higher and the rim flow velocities are equal or even lower compared to disk objects at similar evolutionary stage. We detected, for the first time, in some objects an asymmetric expansion behaviour: The relative expansions between rim and shell appear to be different for the receding and approaching parts of the nebular envelope.

연구 동기 및 목표

• 다중껍질 시스템을 포함한 정밀하게 측정된 팽창 특성을 가진 행 성운 샘플을 확장하기 위해.
• 밝은 가장자리와 희미한 외곽 껍질의 운동학을 구분하여, 특히 앞선 충격 뒤의 후방 충격 속도를 분석하기 위해.
• 다양한 금속성과 진화 단계를 가진 성운에서 관측된 속도 변화와 이론적 복사-유체역학 시뮬레이션 예측을 비교하기 위해.
• 관측된 팽창 행동이 행 성운에서 자가유사성 또는 궤도운동 팽창 가정과 모순되는지 평가하기 위해.
• 특히 금속 농도가 낮고 오래된 성운에서 재이온화와 금속성의 운동학적 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 은하수 디스크, 할로, M15 군집에서 유래한 원형/타원형 행 성운의 대표적 샘플에 대해 고해상도 에클레 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 강한 방출선의 가우시안 분해를 수행하여 밝은 가장자리와 희미한 외곽 껍질의 속도 성분을 분리하였다.
• 선형 프로파일의 빨간편이 성분을 분석하여, 앞선 충격 뒤 바로 뒤의 기체 속도인 후방 충격 속도를 측정하였다.
• 별의 복사, 풍압 상호작용, 상류 밀도 기울기의 시간 의존적 영향을 해석하기 위해 관측된 속도 프로파일을 복사-유체역학 시뮬레이션과 비교하였다.
• 핫하고 희미한 중심 항성들을 가진 천체의 운동학적 행동을 분석하여 재이온화의 징후를 탐지하고, 그것이 충격 속도에 미치는 영향을 평가하였다.
• 금속성의 영향을 평가하기 위해 고금속성과 저금속성 성운을 비교하였으며, 후방 충격 속도와 가장자리 속도의 차이에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중껍질 행 성운에서 가장자리와 외곽 껍질의 팽창 속도는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 후방 충격 속도가 가장자리 속도를 얼마나 초월하는가? 그리고 이 차이를 일으키는 원인은 무엇인가?
• RQ3 유사한 진화 단계에서 금속 농도가 낮은 행 성운의 운동학적 특성은 태양 금속성 물체와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 빠르게 진화하는 중심 항성이 있는 성운에서 재이온화가 관측된 충격 속도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 운동학적 행동은 행 성운에서 자가유사성 또는 궤도운동 팽창 가정을 위반하는가?

주요 결과

• 가장 어린 성운에서 후방 충격 속도는 약 20 km s⁻¹에서 시작하여, 더 오래되고 더 뜨거운 시스템에서는 약 40 km s⁻¹으로 증가하며, 이는 증가하는 이온화 복사와 상류 밀도 기울기의 영향을 받는다.
• 가장자리 속도는 처음에는 AGB 풍속(10–15 km s⁻¹) 이하로 감소하다가, 중심 항성이 수축함에 따라 증가하는 풍압의 영향으로 최대 30 km s⁻¹까지 증가한다.
• 젊은 성운에서 가장자리 속도와 후방 충격 속도의 차이는 약 25 km s⁻¹에서 진화한 시스템에서는 약 15 km s⁻¹로 감소하여, 동역학적 지배의 변화를 나타낸다.
• 핫하고 희미한 중심 항성이 있는 성운에서 관측된 높은 후방 충격 속도(40–50 km s⁻¹)는 지속적인 풍압 상호작용 외에도 이전에 재결합된 기체의 재이온화와 일치한다.
• 유사한 단계에서 태양 금속성 물체에 비해 금속 농도가 낮은 성운는 더 높은 후방 충격 속도와 낮은 가장자리 속도를 보이며, 이는 이론적 예측을 확인한다.
• 행 성운의 진짜 팽창 속도는 가장자리 속도가 아니라 후방 충격 속도로 가장 잘 나타나며, 이는 젊은 시스템에서 실제 팽창 속도를 최대 7배나 과소평가할 수 있음을 시사한다.