[논문 리뷰] Dusty wind of W Hya. Multi-wavelength modelling of the present-day and recent mass-loss

T. Khouri, L. B. F. M. Waters외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 55인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 관측과 복사전달을 통해 산소 빈도가 높은 AGB 별 W 히드라의-dusty 풍속을 모델링하여 먼지 조성, 구조 및 질량 손실 역사를 제약한다. 먼지가 중력에 의해 유인된 알루미나(Al2O3)로 구성된 약 3,500년 전에 발생한 최근 질량 손실 피크(약 300년 지속)를 설명하는 구조적 먼지 케이스를 규명하였으며, 적외선 과잉과 산산이 흩어진 빛을 설명하는 데 주로 비정질 Al2O3가 지배적임을 밝혀냈다. 실리케이트 방출은 40 AU 이외의 거리에서 기인하며, 근적외선 영역에서의 고도의 투과도 증가로 인해 관측 가능하다.

ABSTRACT

Low- and intermediate-mass stars go through a period of intense mass-loss at the end of their lives in a phase known as the asymptotic giant branch (AGB). During the AGB a significant fraction of their initial mass is expelled in a stellar wind. This process controls the final stages of their evolution and contributes to the chemical evolution of galaxies. However, the wind-driving mechanism of AGB stars is not yet well understood, especially so for oxygen-rich sources. Characterizing both the present-day mass-loss and wind structure and the evolution of the mass-loss rate of such stars is paramount to advancing our understanding of this processes. We modelled the dust envelope of W Hya using an advanced radiative transfer code. The dust model was analysed in the light of a previously calculated gas-phase wind model and compared to measurements available in the literature, such as infrared spectra, infrared images, and optical scattered light fractions. We find that the dust spectrum of W Hya can partly be explained by a gravitationally bound dust shell that probably is responsible for most of the amorphous Al$_2$O$_3$ emission. The composition of the large ($\sim$\,0.3\,$μ$m) grains needed to explain the scattered light cannot be constrained, but probably is dominated by silicates. Silicate emission in the thermal infrared was found to originate from beyond 40 AU from the star and we find that they need to have substantial near-infrared opacities to be visible at such large distances. The increase in near-infrared opacity of the dust at these distances roughly coincides with a sudden increase in expansion velocity as deduced from the gas-phase CO lines. Finally, the recent mass loss of W Hya is confirmed to be highly variable and we identify a strong peak in the mass-loss rate that occurred about 3500 years ago and lasted for a few hundred years.

연구 동기 및 목표

• W 히드라, 산소 빈도가 높은 AGB 별의 풍속 내 먼지 조성과 구조를 이해하기 위해.
• 다중 파장 관측을 통해 W Hya의 질량 손실률 역사를 제약하기 위해.
• Al2O3 및 실리케이트와 같은 먼지 종류가 항성 풍속을 이끄는 데 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 관측된 적외선 스펙트럼, 산산이 흩어진 빛 비율, 먼지 이미지와 물리적으로 일관된 먼지 모델을 통합하기 위해.
• 풍속 내 칼슘 함유 먼지 종류의 기여도 및 그 투과도 특성 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 파장에서 W Hya의 먼지 환경을 모델링하기 위해 고도의 복사전달 코드를 사용하였다.
• ISO 적외선 스펙트럼, PACS 70 µm 이미지, MIDI 간섭계 데이터, 산산이 흩어진 빛 비율의 제약 조건을 통합하였다.
• 비정질 Al2O3 입자에 대해 수정된 라이스-노르드하임(MRN) 크기 분포를 사용한 중력에 의해 유인된 먼지 케이스(GDBS) 모델을 적용하였다.
• 이전 연구(Paper I)에서 제시된 기체 상태 풍속 모델을 통합하여 관측된 CO 선 프로파일과 질량 손실률과의 일관성을 확보하였다.
• 특히 근적외선 영역에서 실리케이트의 투과도 증가 현상에 주목하여, 큰 반경에서의 방출을 설명하기 위해 먼지 투과도의 변화를 탐색하였다.
• 가용한 굴절률 데이터를 바탕으로 칼슘 함유 먼지 종류를 시험하였지만, 제한된 데이터로 인해 정밀한 정량화는 어려웠다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 적외선 과잉과 산산이 흩어진 빛을 설명하는 데 기여하는 주요 먼지 종류는 무엇인가?
• RQ2 먼지 방출 구조는 CO 선으로부터 유추된 운동학 및 질량 손실 역사와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 큰 거리(40 AU 이상)에서 관측된 실리케이트 방출은 먼지 투과도 특성과 입자 성장에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 칼슘은 먼지 조성에서 어떤 역할을 하는가? 관측된 방출을 통해 그 농도를 제약할 수 있는가?
• RQ5 W Hya의 질량 손실률은 시간에 따라 어떻게 변화하였으며, 가장 최근의 피크는 언제 발생했는가?

주요 결과

• W Hya의 먼지 스펙트럼은 중력에 의해 유인된 먼지 케이스(GDBS)에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 관측된 적외선 과잉과 산산이 흩어진 빛 비율을 설명한다. 주로 비정질 Al2O3로 구성되어 있다.
• 열적 적외선 영역에서의 실리케이트 방출은 40 AU 이상의 거리에서 기인하며, 근적외선 영역에서의 상당한 투과도 증가로 인해 이러한 거리에서 관측 가능하다.
• 큰 반경에서 실리케이트의 근적외선 투과도 증가 현상은 CO 선 프로파일에서 추론된 팽창 속도의 급격한 증가와 동시에 발생한다.
• 모델은 칼슘이 먼지의 일부일 가능성이 높지만, 칼슘 함유 종류의 굴절률 데이터가 제한되어 있어 정밀한 농도 정량화는 어렵다.
• W Hya의 최근 질량 손실 역사에서는 약 3,500년 전에 피크가 발생하였으며, 약 300년 동안 지속되었고, 현재 수준보다 최대 20배 높은 속도를 보였다.
• 이전에 낮은 질량 손실률(현재 수준보다 약 2배 낮음)이 약 2,500년 동안 지속되어, 현재 500에서 4,000 AU 사이에 위치한 먼지를 생성하였다.