[논문 리뷰] IRC+10216 mass loss properties through the study of $\lambda$3mm emission: Large spatial scale distribution of SiO, SiS, and CS

L. Velilla-Prieto, J. Cernicharo외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 15.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 62인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 3 mm에서 SiO, SiS 및 CS 복사의 고해상도 ALMA 및 IRAM-30m 관측을 통해 IRC + 10°216의 별주변 환경에서의 대규모 공간 분포를 매핑한다. 이는 수백 년에 걸친 간헐적 질량 손실을 시사하는 덩어리지고 층상 구조와 함께 진동하는 분율 농도를 드러내며, 비균일성으로 인한 자외선 침투로 인해 광분해 반응 반경이 내부로 이동함으로써 균일한 풍속 모델에 도전한다.

ABSTRACT

The study of the gas in the envelopes surrounding asymptotic giant branch (AGB) stars through observations in the millimetre wavelength range provides information about the history and nature of these molecular factories. Here we present ALMA observations at subarsecond resolution, complemented with IRAM-30m data, of several lines of SiO, SiS, and CS towards the best-studied AGB circumstellar envelope, IRC+10216. We aim to characterise their spatial distribution and determine their fractional abundances mainly through radiative transfer and chemical modelling. The three species display extended emission with several enhanced emission shells. CS displays the most extended distribution reaching distances up to approximately 20''. SiS and SiO emission have similar sizes of approximately 11'', but SiS emission is slightly more compact. We have estimated fractional abundances relative to H$_2$, which on average are equal to f(SiO)$\sim$10$^{-7}$, f(SiS)$\sim$10$^{-6}$, and f(CS)$\sim$10$^{-6}$ up to the photo-dissociation region. The observations and analysis presented here show evidence that the circumstellar material displays clear deviations from an homogeneous spherical wind, with clumps and low density shells that may allow UV photons from the interstellar medium (ISM) to penetrate deep into the envelope, shifting the photo-dissociation radius inwards. Our chemical model predicts photo-dissociation radii compatible with those derived from the observations, although it is unable to predict abundance variations from the starting radius of the calculations ($\sim$10$R_{*}$), which may reflect the simplicity of the model. We conclude that the spatial distribution of the gas proves the episodic and variable nature of the mass loss mechanism of IRC+10216, on timescales of hundreds of years.

연구 동기 및 목표

• IRC + 10°216의 별주변 환경에서 SiO, SiS 및 CS의 대규모 공간 분포를 규명하는 것.
• 복사전달 및 화학 모델링을 통해 이 분자의 H₂ 대비 분율 농도를 결정하는 것.
• 덩어리지고 변화하는 질량 손실로 인한 균일한 구형 풍속 모델의 이탈을 조사하는 것.
• 은하간 자외선 복사가 환경 내 광분해 반경에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 현재 기체상 화학 모델이 관측된 농도 진동을 재현하지 못하는 한계를 평가하는 것.

제안 방법

• SiO, SiS 및 CS의 다중 회전 전이에 대해 3 mm에서 해상도가 서브아크초 수준인 ALMA 관측을 확보하였다.
• 확장된 복사량을 복원하기 위해 고감도의 IRAM-30m 단일 안테나 관측을 ALMA 데이터와 보완하였다.
• 관측된 밝기 분포에서 복사전달 모델링을 수행하여 반경 방향 농도 프로파일 및 광분해 반경을 유도하였다.
• 광유도 반응 및 우주선 유도 반응을 포함한 표준 기체상 화학 모델을 구축하여 분자 농도를 시뮬레이션하였다.
• 모델을 사용하여 광분해 반경을 예측하고 관측 제약 조건과 비교하였다.
• 각도 평균 및 채널 맵을 분석하여 강화된 복사층과 비균일한 구조를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRC + 10°216의 별주변 환경에서 SiO, SiS 및 CS의 대규모 공간 분포는 어떻게 되어 있는가?
• RQ2 SiO, SiS 및 CS의 분율 농도는 반경에 따라 어떻게 변화하며, 질량 손실 역사를 어떻게 드러내는가?
• RQ3 덩어리와 저밀도 층이 은하간 자외선 광자를 환경의 더 깊은 곳으로 침투시키는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ4 관측된 광분해 반경은 표준 화학 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ5 왜 관측된 농도 프로파일은 현재 화학 모델이 재현하지 못하는 진동을 보이는가?

주요 결과

• SiO, SiS 및 CS는 확장된 층상 복사 구조를 보이며, CS는 별에서 약 ~20′′까지 가장 넓게 퍼져 있다.
• SiO 및 SiS 복사는 더 좁은 분포를 보이며 크기가 약 ~11′′이며, SiS 복사는 SiO보다 약간 더 농축되어 있다.
• 평균 분율 농도는 H₂ 대비 f(SiO) ~ 10⁻⁷, f(SiS) ~ 10⁻⁶, f(CS) ~ 10⁻⁶이며, 광분해 영역까지 유지된다.
• 광분해 반경 순서는 SiS < SiO < CS이며, SiS가 별에 가장 가까이 분해되고 CS가 가장 멀리 분해되는 것으로 나타나 모델 예측과 일치한다.
• 화학 모델은 관측된 것보다 약 1.5배 큰 광분해 반경을 예측하여 모델의 단순화가 나타난다.
• 관측된 농도 진동과 층상 구조는 수백 년 단위의 간헐적 질량 손실을 시사하며, 일정한 질량 손실 속도 모델과 부합하지 않는다.