[논문 리뷰] On the physical structure of IRC+10216. Ground-based and Herschel observations of CO and CCH

E. De Beck, R. Lombaert외 18명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 지상 및 혜성/HIFI 관측을 통한 CO와 C2H의 관측을 바탕으로 IRC+10216의 원환성 환경에 대한 종합적인 복사전달 모델을 제시하며, 세 부분으로 나누어진 온도의 거듭제곱 법칙적 구조를 규명하고 복사 펌프가 고J 상태 C2H 복사선을 설명하는 데 핵심적임을 밝혀낸다. 모델은 고J 상태 C2H 전이와 간섭계 맵핑을 통한 J=1-0 선의 공간적 분포를 성공적으로 통합하여 탄소가 풍부한 AGB 별의 오랫동안 지속된 에너지 상태 퍼즐을 해결한다.

ABSTRACT

The C-rich AGB star IRC+10216 undergoes strong mass loss, and quasi-periodic density enhancements in the circumstellar matter have been reported. CO is ubiquitous in the CSE, while CCH emission comes from a spatially confined shell. With the IRAM 30m telescope and Herschel/HIFI, we recently detected unexpectedly strong emission from the CCH N=4-3, 6-5, 7-6, 8-7, and 9-8 transitions, challenging the available chemical and physical models. We aim to constrain the physical properties of IRC+10216's CSE, including the effect of episodic mass loss on the observed emission. In particular, we aim to determine the excitation region and conditions of CCH and to reconcile these with interferometric maps of the N=1-0 transition. Via radiative-transfer modelling, we provide a physical description of the CSE, constrained by the SED and a sample of 20 high-resolution and 29 low-resolution CO lines. We further present detailed radiative-transfer analysis of CCH. Assuming a distance of 150pc, the SED is modelled with a stellar luminosity of 11300Lsun and a dust-mass-loss rate of 4.0 imes10^{-8}Msun/yr. Based on the analysis of 20 high resolution CO observations, an average gas-mass-loss rate for the last 1000yrs of 1.5 imes10^{-5}Msun/yr is derived. This gives a gas-to-dust-mass ratio of 375, typical for an AGB star. The gas kinetic temperature throughout the CSE is described by 3 powerlaws: it goes as r^{-0.58} for r<9R*, as r^{-0.40} for 9<=r<=65R*, and as r^{-1.20} for r>65R*. This model successfully describes all 49 CO lines. We show the effect of wind-density enhancements on the CCH-abundance profile, and the good agreement of the model with the CCH N=1-0 transition and with the lines observed with the 30m telescope and HIFI. We report on the importance of radiative pumping to the vibrationally excited levels of CCH and the significant effect this has on the excitation of all levels of the CCH-molecule.

연구 동기 및 목표

• 다양한 선을 통한 CO와 C2H 관측을 통해 IRC+10216의 원환성 환경의 물리적 구조를 제약하기.
• 고J 상태 C2H 복사선과 공간적으로 국한된 J=1-0 복사선 껍질 간의 괴리 문제를 해결하기.
• C2H의 고에너지 회전 준위를 자극하는 데 있어 복사 펌프의 역할을 규명하기.
• 다중 주파수 CO 선 데이터와 일치하는 질량 손실률과 기체 대-dust 비율을 유도하기.
• 일시적인 밀도 증가가 C2H 농도와 복사선 프로파일에 미치는 영향을 모델링하기.

제안 방법

• 변동 가능한 밀도와 온도 구조를 가진 구형 대칭, 시간 평균 풍속 모델을 사용하여 CO와 C2H 복사선의 복사전달 모델링을 수행한다.
• 관측된 CO 선형형(고해상도 20개, 저해상도 29개)을 적합하여 기체 질량 손실률과 온도의 거듭제곱 법칙을 유도한다.
• 먼지 투과도와 항성 빛의 세기(11,300 L☉)를 포함하여 150 pc 거리에서의 스펙트럼 에너지 분포를 모델링한다.
• C2H의 고J 상태 회전 전이를 설명하기 위해 진동 자극(ν₂=1)과 복사 펌프 효과를 포함한다.
• C2H를 순수한 회전 전이를 가지는 Σ 상태 분자로 근사화하면서 도약 및 진동 모드를 고려한다.
• IRAM과 혜성/HIFI에서의 고J 선 강도 및 C2H J=1-0 전이의 간섭계 맵핑 결과와 모델 예측을 비교 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRC+10216의 원환성 환경에서의 반경 온도 구조는 어떻게 되며, 다양한 반경에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 최근 1,000년 동안의 고해상도 CO 선형형을 통해 유도된 기체 질량 손실률은 얼마인가?
• RQ3 낮은 운동 에너지 온도에도 불구하고 고J 상태 C2H 회전 전이에서 강한 복사선이 관측되는 것은 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ4 C2H의 공간 분포는 어떻게 되며, J=1-0 전이의 간섭계 맵핑 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 진동적으로 자극된 상태에서의 복사 펌프가 C2H 회전 준위의 자극에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 원환성 환경은 세 부분으로 나누어진 온도 프로파일을 보이며, T ∝ r^−0.58 (r ≤ 9 R⋆), T ∝ r^−0.40 (9 ≤ r ≤ 65 R⋆), T ∝ r^−1.20 (r ≥ 65 R⋆)이다.
• 최근 1,000년 동안의 기체 질량 손실률은 1.5 × 10⁻⁵ M☉ yr⁻¹으로 유도되었으며, 먼지 질량 손실률은 4.0 × 10⁻⁸ M☉ yr⁻¹이다.
• 기체 대 먼지 질량 비율은 375로, 탄소가 풍부한 AGB 별에서 일반적인 값과 일치한다.
• 특히 ν₂=1 상태로의 진동 자극과 복사 펌프가 고J 상태 C2H 전이에서 관측된 강한 복사선을 설명하는 데 필수적이다.
• 모델은 J=9-8까지의 C2H 선 강도를 성공적으로 재현하며, 간섭계 맵핑에서 관측된 J=1-0 선의 공간 형태와도 일치한다.
• 도약 및 진동 모드를 포함함으로써 C2H의 고에너지 회전 준위에 대한 인구 분포가 크게 향상되어, 복사선 자극의 역설을 해결한다.