[논문 리뷰] Nucleosynthesis in AGB stars traced by oxygen isotopic ratios. I - Determining the stellar initial mass by means of the $^{17}$O/$^{18}$O ratio

R. De Nutte, L. Decin외 9명|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2016. 06. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 46인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 아규어스터리안 별 9개에서의 밀리미터 파장 관측을 통해 CO 이소토폴로이드에서 유도한 원환성 17O/18O 비율을 사용하여 초기 항성 질량을 추론한다. 이 비율은 5 M⊙ 이하의 항성에서 열적 펄스 AGB 단계 동안 일정하게 유지되므로, 초기 질량 추정에 매우 신뢰할 수 있는 지표가 된다. 이에 따라 일곱 개의 천체에 대해 정확한 초기 질량 추정치를 도출하였으며, 두 개의 항성은 낮은 질량을 지향하는 이중 해를 보이며, 이는 초기 질량 추정에 있어 질량의 다중해 가능성에 대한 시사점을 제공한다. 결과적으로 M/S형과 C형 항성 간의 17O/18O–진동 주기 평면 상의 잠재적 구분이 제기되었으나, 이 경향을 확인하기 위해서는 더 큰 표본이 필요하다.

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the $^{17}$O/$^{18}$O ratio for a sample of AGB stars, containing M-, S- and C-type stars. These ratios are evaluated in relation to fundamental stellar evolution parameters: the stellar initial mass and pulsation period. Circumstellar $^{13}$C$^{16}$O, $^{12}$C$^{17}$O and $^{12}$C$^{18}$O line observations were obtained for a sample of nine stars with various single-dish long-wavelength facilities. Line intensity ratios are shown to relate directly to the surface $^{17}$O/$^{18}$O abundance ratio. Stellar evolution models predict the $^{17}$O/$^{18}$O ratio to be a sensitive function of initial mass and to remain constant throughout the entire TP-AGB phase for stars initially less massive than 5\,$M_{\odot}$. This makes the measured ratio a probe of the initial stellar mass. Observed $^{17}$O/$^{18}$O ratios are found to be well in the range predicted by stellar evolution models that do not consider convective overshooting. From this, accurate initial mass estimates are calculated for seven sources. For the remaining two sources two mass solutions result, though with a larger probability that the low-mass solution is the correct one. Finally, hints at a possible separation between M/S- and C-type stars when comparing the $^{17}$O/$^{18}$O ratio to the stellar pulsation period are presented.

연구 동기 및 목표

• 핵합성 처리의 지표로 사용되는 17O/18O 이소토프 비율을 활용하여 AGB 항성의 초기 질량을 추정하는 것.
• 모델 예측과 같이 17O/18O 비율이 열적 펄스 AGB 단계 동안 일정하게 유지되는지 확인하여, 이 비율이 신뢰할 수 있는 질량 지표로 기능할 수 있는지 테스트하는 것.
• 진화 상태 또는 진동 특성과 관련이 있을 수 있는 M/S형과 C형 AGB 항성 간의 이소토프 비율에 대한 체계적 차이를 조사하는 것.
• 복류 확산 및 기타 혼합 과정이 관측된 17O/18O 비율에 미치는 영향을 항성 진화 모델과 비교하여 분석하는 것.
• 17O/18O 비율과 진동 주기 간의 상관관계를 탐색하여, 항성 집단 합성 및 진화 순서도에 대한 잠재적 진단 도구로 활용 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 장파장에서 단일 반사판 전파망원경(APEX, IRAM 30m, CSO)을 사용하여 원환성 13C16O, 12C17O, 및 12C18O 선 강도를 관측하였다.
• 복사전달 모델링 및 이소토프 농도 스케일링을 통해 선 강도 비율을 표면 17O/18O 농도 비율로 변환하였다.
• 복류 확산 유무에 따라 예측된 17O/18O 비율을 초기 질량 및 금속도 함수로 예측하기 위해 항성 진화 모델을 사용하였다.
• 5 M⊙ 이하의 항성에서 TP-AGB 단계 동안 비율이 일정하다는 가정 하에 관측된 17O/18O 비율을 모델 예측과 일치시켜 초기 질량을 추론하였다.
• 진동 주기는 문헌 자료에서 확보하였으며, 이는 진화 순서도 기대치를 검증하기 위해 이소토프 비율과의 상관관계를 탐색하는 데 사용되었다.
• 작은 수의 통계 및 선택 편향을 고려하여 17O/18O–주기 평면에서 관측된 경향의 유의성을 평가하기 위해 통계 분석을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGB 항성에서의 17O/18O 비율이 초기 항성 질량의 신뢰할 수 있는 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ2 모델 예측과 같이 17O/18O 비율이 열적 펄스 AGB 단계 전체 동안 일정하게 유지되는가?
• RQ3 M/S형과 C형 AGB 항성 간의 17O/18O 비율에 체계적 차이가 있으며, 그 원인은 무엇인가? 이는 진화 상태나 진동 특성과 관련이 있는가?
• RQ4 17O/18O 비율과 진동 주기 사이에 측정 가능한 상관관계가 있으며, 이는 항성 진화나 선택 편향에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 복류 확산 및 기타 혼합 과정이 예측된 17O/18O 비율에 어떤 영향을 미치며, 관측을 통해 이들을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 7개의 AGB 항성에서 관측된 17O/18O 비율은 복류 확산을 포함하지 않은 모델에서 예측된 범위 내에 있으며, 이는 이 비율이 질량 지표로 사용될 수 있음을 지지한다.
• 관측된 17O/18O 비율을 모델 예측과 일치시켜 7개 항성에 대해 매우 정확한 초기 질량 추정치를 도출하였다.
• χ Cyg와 V384 Per의 경우 두 개의 질량 해가 도출되었지만, 낮은 질량 해가 통계적으로 더 유력하여 이 경우 질량의 다중해 가능성에 대한 시사점을 제공한다.
• 17O/18O–진동 주기 평면에서 M/S형과 C형 항성 간의 잠재적 분리 경향이 나타났으며, C형 항성이 더 긴 주기에서 관측되었지만, 표본 수가 적어 아직 통계적으로 유의미하지 않다.
• 통계 분석 결과, 17O/18O–주기 다이어그램에서 항성이 관측된 경향선에 따라 배열된 것은 랜덤 샘플링 때문일 가능성은 낮으며, M/S형 항성의 p-value는 19.6%, C형 항성의 p-value는 9.3%로 실제 배경 패턴이 존재할 가능성이 높음을 시사한다.
• 이 연구는 잠재적 진화 경향을 확인하고 이소토프 비율 연구에서의 선택 편향을 줄이기 위해 더 큰 표본과 다중 분자의 분석이 필요하다고 강조한다.