[논문 리뷰] Models of circumstellar molecular radio line emission: Mass loss rates for a sample of bright carbon stars

F. L. Schoeier, H. Olofsson|ArXiv.org|2001. 01. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 35인용 수 133

한 줄 요약

이 연구는 복사열전달 및 에너지 균형 계산을 사용하여 69개의 밝은 탄소 항성의 원주성 CO 전파선 방출을 모델링하여 질량 손실률, 팽창 속도, 온도 구조를 도출한다. 질량 손실률은 5×10⁻⁹에서 2×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹ 사이이며 중앙값은 2.8×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹이다. 또한 질량 손실률, 펄세이션 주기, 빛의 세기 사이에 강한 상관관계를 발견하여, 펄세이션이 핵심 역할을 하는 먼지에 의해 구동되는 풍속 모델을 지지한다.

ABSTRACT

Using a detailed radiative transfer analysis, combined with an energy balance equation for the gas, we have performed extensive modelling of circumstellar CO radio line emission from a large sample of optically bright carbon stars. We determine some of the basic parameters that characterize circumstellar envelopes (CSEs), e.g., the stellar mass loss rate, the gas expansion velocity, and the kinetic temperature structure of the gas. The derived mass loss rates span almost four orders of magnitude, from 5E-9 up to 2E-5 solar masses per year, with the median mass loss rate being 3E-7 solar masses per year. We estimate that the estimated mass loss rates are typically accurate to 50% within the adopted circumstellar model. The physical conditions prevailing in the CSEs vary considerably over such a large range of mass loss rates. Among other things, it appears that the dust-to-gas mass ratio and/or the dust properties change with the mass loss rate. We find that the mass loss rate and the gas expansion velocity are well correlated, and that both of them clearly depend on the pulsational period and (with larger scatter) the stellar luminosity. Moreover, the mass loss rate correlates weakly with the stellar effective temperature, in the sense that the cooler stars tend to have higher mass loss rates, but there seems to be no correlation with the stellar C/O-ratio. We conclude that the mass loss rate increases with increased regular pulsation and/or luminosity, and that the expansion velocity increases as an effect of increasing mass loss rate (for low mass loss rates) and luminosity.

연구 동기 및 목표

• 자세한 복사열전달 및 에너지 균형 모델링을 통해 밝은 탄소 항성의 원주성 대기(CEs)의 질량 손실률, 기체 팽창 속도, 운동온도 구조를 도출하기 위해.
• 모델 가정과 관측 제약 조건에 대한 민감도를 시험하여 질량 손실률 추정의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 펄세이션 주기, 빛의 세기, 효율적 온도, C/O 비율과의 상관관계를 분석하여 질량 손실의 물리적 원인을 조사하기 위해.
• 구형 대칭성과 매끄러운 질량 손실에서의 이탈, 특히 탈리된 CO 케이지가 있는 항성들에서의 특성을 식별하고 특성화하기 위해.
• 은하계 화학 진화에서의 역할을 평가하고, 은하간 매질의 기체 예산에 대한 탄소 항성의 기여도를 추정하기 위해.

제안 방법

• 지속적인 질량 손실을 가진 원주성 대기의 구형 대칭, 매끄럽고 일정한 속도의 확산 모델을 사용하였다.
• 스웨덴-ESA 밀리미터파 천체망원경, 온살라 20m 망원경, NRAO 12m 망원경에서의 다중 전이 CO 선 방출 데이터에 복사열전달 계산을 적용하였다.
• 외부 대기에서 자외선 복사에 의한 CO 파괴를 고려하기 위해 Mamon 등(1988)의 광분해 모델을 통합하였다.
• CO(1→0) 관측에서의 반경 방사율 프로파일을 사용하여 대기 크기와 밀도 구조를 제약하였으며, r⁻² 밀도 법칙을 검증하였다.
• 관측 제약 조건(다중선 데이터, 반경 프로파일)과 이론적 모델링을 결합하여 질량 손실률과 기체 온도 프로파일을 도출하였다.
• 모델 결과를 관측된 온도 구조와 질량 손실 추세와 비교하여 먼지 대 기체 질량 비율과 먼지 성질을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO 전파선 방출 모델링을 통해 밝은 탄소 항성 샘플의 질량 손실률, 팽창 속도, 온도 구조는 무엇인가요?
• RQ2 탄소 항성에서 질량 손실률은 펄세이션 주기, 빛의 세기, 효율적 온도, C/O 비율과 어떻게 관련이 있나요?
• RQ3 관측된 반경 방사율 프로파일이 r⁻² 밀도 법칙에서 얼마나 벗어나며, 이는 시간에 따라 변하는 질량 손실 또는 비구형 대칭성을 시사합니까?
• RQ4 탄소 항성은 은하간 매질의 기체 환원에 어떤 기여를 하며, 극단적인 천체들은 어떻게 비교되나요?
• RQ5 왜 일부 항성(예: 탈리된 CO 케이지가 있는 항성들)은 표준 매끄러운 바람 모델에 잘 맞지 않나요?

주요 결과

• 샘플의 질량 손실률은 약 5×10⁻⁹ M☉ yr⁻¹에서 약 2×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹ 사이이며, 중앙값은 2.8×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹이다. 이는 약 3×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹ 근처에 좁은 피크를 보임을 시사한다.
• 질량 손실률은 펄세이션 주기와 항성의 빛의 세기와 강하게 상관되며, 효율적 온도와는 약한 추세를 보이며, 더 차가운 항성일수록 더 높은 질량 손실률을 가짐을 나타낸다.
• 기체 팽창 속도는 낮은 질량 손실률에서 질량 손실률과 빛의 세기 증가에 따라 증가하며, 먼지에 의해 구동되는 바람 메커니즘과 펄세이션이 핵심 추진력임을 지지한다.
• 질량 손실률과 항성의 C/O 비율 사이에 유의미한 상관관계는 발견되지 않았으며, 이는 C/O 농도가 이 항성들에서 질량 손실을 직접적으로 제어하지 않는다는 것을 시사한다.
• 5개의 항성이 탈리된 CO 케이지를 보이며, 과거에 질량 손실이 증가한 사건을 시사한다. 현재 질량 손실률은 낮으며, 케이지 질량은 연령 증가에 따라 증가함을 보이며, 약 10⁵년의 반복 주기로 추정된다.
• 모델 적합도는 일반적으로 채택된 가정 하에 약 50% 이내로 정확하며, 반경 방사율 프로파일의 이질성은 몇몇 경우에서 시간에 따라 변하는 질량 손실 또는 비구형 기하학을 시사한다.