[논문 리뷰] Circumstellar molecular composition of the oxygen-rich AGB star IK~Tau: II. In-depth non-LTE chemical abundance analysis

L. Decin, E. De Beck외 7명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 68

한 줄 요약

이 연구는 산소가 풍부한 AGB 별 IK~Tau의 원환성 홍역에서 11개의 분자 및 이소토폴로그에 대해 비- LTE 복사전달 분석을 수행하며, 고해상도 선형형상과 속도 구조를 이용해 화학적 농도 구조를 유도한다. 이는 고전적 모델이 예측하는 것보다 더 느린 바람 가속도, SiO 및 SiS의 먼지 흡착으로 인한 농도 감소, 그리고 28SiO의 증가를 시사하는 비정상적인 SiO 이소토폴로 비율을 드러내며, HCN과 CS는 비평형 모델과의 괴리로 인해 먼지 형성 과정이 관여할 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Aims: Little information exists on the circumstellar molecular abundance stratifications of many molecules. The aim is to study the circumstellar chemical abundance pattern of 11 molecules and isotopologs ($^{12}$CO, $^{13}$CO, SiS, $^{28}$SiO, $^{29}$SiO, $^{30}$SiO, HCN, CN, CS, SO, SO$_2$) in the oxygen-rich evolved star IK~Tau. Methods: We have performed an in-depth analysis of a large number of molecular emission lines excited in the circumstellar envelope around IK~Tau. The analysis is done based on a non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative transfer analysis, which calculates the temperature and velocity structure in a self-consistent way. The chemical abundance pattern is coupled to theoretical outer wind model predictions including photodestruction and cosmic ray ionization. Not only the integrated line intensities, but also the line shapes, are used as diagnostic tool to study the envelope structure. Results: The deduced wind acceleration is much slower than predicted from classical theories. SiO and SiS are depleted in the envelope, possibly due to the adsorption onto dust grains. For HCN and CS a clear difference with respect to inner wind non-equilibrium predictions is found, either indicating uncertainties in the inner wind theoretical modeling or the possibility that HCN and CS (or the radical CN) participate in the dust formation. The low signal-to-noise profiles of SO and CN prohibit an accurate abundance determination; the modeling of high-excitation SO$_2$ lines is cumbersome, possibly related to line misidentifications or problems with the collisional rates. The SiO isotopic ratios ($^{29}$SiO/$^{28}$SiO and $^{30}$SiO/$^{28}$SiO) point toward an enhancement in $^{28}$SiO compared to results of classical stellar evolution codes. Predictions for H$_2$O lines in the spectral range of the Herschel/HIFI mission are performed. [abbreviated]

연구 동기 및 목표

• 산소가 풍부한 AGB 별 IK~Tau의 원환성 화학적 농도 구조를 11개의 핵심 분자 및 이소토폴로그에 대해 조사한다.
• 탄소가 풍부한 경우에 비해 산소가 풍부한 홍역에서 분자의 농도에 대한 관측 제약 조건이 부족한 문제를 해결한다.
• 내부 및 외부 바람 영역에서의 비평형 화학, 먼지-기체 상호작용, 광분해의 이론적 모델을 시험한다.
• 선형형상과 강도 데이터를 이용한 비- LTE 복사전달 모델링의 신뢰성을 평가한다.
• 미래의 Herschel/HIFI 관측을 위한 H2O 복사 특징을 예측한다.

제안 방법

• 비- LTE 복사전달 모델을 사용하여 원환성 홍역 내에서 온도, 속도 구조, 분자 자극 상태를 동시에 해결한다.
• LAMDA 및 CDMS 데이터베이스에서 제공하는 에너지 준위, 아인슈타인 A 계수, 충돌률 계수 등의 세부 분자 데이터를 모델에 통합한다.
• 관측된 스펙트럼에서의 선형형상과 통합 강도를 진단 도구로 사용하여 농도 구조와 바람 역학을 제약한다.
• 화학적 농도 패턴을 광분해, 우주선 이온화, 먼지-기체 반응 등을 포함한 이론적 예측과 비교한다.
• CO, SiO, HCN, CN, CS, SO, SO2, H2O의 진동 및 회전 전이를 고려하여 초분광 분열, l형태의 두重성, 진동 자극을 주의 깊이 분석한다.
• 필요에 따라 충돌률 계수를 고온 영역으로 외삽하고, H2O의 경우 고정밀 선 목록(예: Barber 등 2006)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IK~Tau의 원환성 홍역에서 CO, SiO, SiS, HCN, CS, CN, SO, SO2, H2O의 진정한 화학적 농도 분포는 무엇인가?
• RQ2 비- LTE 효과와 바람 가속도 프로파일은 고전적 AGB 분출 이론과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 SiO와 SiS는 얼마나 강하게 먼지 입자 표면에 흡착되어 농도가 감소하는가?
• RQ4 관측된 HCN 및 CS 선형형상이 내부 바람 비평형 화학 모델 예측과 다름은 이유는 무엇인가?
• RQ5 SiO 이소토폴로 비율(29SiO/28SiO 및 30SiO/28SiO)은 항성 핵합성과 진화에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• IK~Tau의 바람 가속도는 고전적 AGB 분출 이론이 예측하는 것보다 현저히 느리며, 이는 역학 모델의 재검토가 필요함을 시사한다.
• SiO와 SiS는 원환성 홍역에서 강한 농도 감소를 보이며, 이는 내부 바람에서 형성된 먼지 입자 표면에 흡착된 탓일 가능성이 높다.
• 29SiO/28SiO 및 30SiO/28SiO 이소토폴로 비율은 고전적 항성 진화 모델에 비해 28SiO의 증가를 시사하며, 이는 핵합성 비정상성 또는 비표준 혼합의 가능성을 시사한다.
• HCN과 CS는 내부 바람 비평형 화학 모델 예측과 일치하지 않는 선형형상을 보이며, 이는 이들이 먼지 형성 과정에 관여하거나 이론적 반응 네트워크의 불확실성 때문일 수 있다.
• SO와 CN의 저신호 대비 노이즈 비율 선형형상은 정확한 농도 결정을 어렵게 하며, 고에너지 상태의 SO2 선형형상 모델링은 잠재적 선 오인식 또는 정확도가 떨어지는 충돌률 계수로 인해 방해받는다.
• Herschel/HIFI 대역에서 H2O 복사선의 예측을 제공하여 향후 비- LTE 모델의 관측적 검증이 가능하게 한다.