[논문 리뷰] Planetary Nebulae in the Magellanic Clouds: II) Abundances and element production

P. Leisy, M. Dennefeld|ArXiv.org|2006. 09. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 43인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 LMC 및 SMC의 156个人성 성운(PNe)에서 원소 농도의 균일한 분석을 제시하며, 성운 내 산소와 neon이 제3의 침투 및 뜨거운 바닥 연소를 통해 상당히 변화되어 있음을 밝혀내었다. 그 결과, 산소나 neon은 원형 별의 初기 금속성 농도를 신뢰성 있게 추적할 수 없으며, 오히려 처리되지 않은 성질을 지닌 아르곤이 가장 신뢰할 수 있는 지표로 권장된다.

ABSTRACT

We present the second part of an optical spectroscopic study of planetary nebulae in the LMC and SMC. The first paper, Leisy & Dennefeld (1996), discussed the CNO cycle for those objects where C abundances were available. In this paper we concentrate more on other elemental abundances (such as O, Ne, S, Ar) and their implications for the evolution of the progenitor stars. We use a much larger sample of 183 objects, of which 65 are from our own observations, where the abundances have been re-derived in a homogeneous way. For 156 of them, the quality of data is considered to be satisfactory for further analysis. We confirm the difficulty of separating Type-I and non-type-I objects in the classical He-N/O diagram, as found in Paper I, a problem reinforced by the variety of initial compositions for the progenitor stars. We observed oxygen variations, either depletion via the ON cycle in the more massive progenitor stars, or oxygen production in other objects. Neon production also appears to be present. These enrichments are best explained by fresh material from the core or from burning shells, brought to the surface by the 3rd dredge-up, as reproduced in recent models, some including overshooting. All the effects appear stronger in the SMC, suggesting a higher efficiency in a low metallicity environment. Neither oxygen nor neon can therefore be used to derive the initial composition of the progenitor star: other elements not affected by processing such as sulfur, argon or, if observed, chlorine, have to be preferred for this purpose. Some objects with very low initial abundances are detected, but on average, the spatial distribution of PNe abundances is consistent with the history of star formation (SF) as derived from field stars in both Clouds.

연구 동기 및 목표

• LMC 및 SMC의 대규모 PNe 샘플에 대해 산소, neon, 황, 아르곤 등 원소 농도를 균일하게 재산정한다.
• 특히 제3의 침투와 뜨거운 바닥 연소를 포함한 항성 처리 과정이 PNe의 관측 농도에 미치는 영향을 조사한다.
• 저금속성 환경에서 산소나 네온이 원형 별의 초기 금속성 농도를 신뢰성 있게 추적할 수 있는지 평가한다.
• PNe 농도를 이용해 마젤란 은하의 화학적 진화를 추적하는 데의 신뢰성을 평가한다.
• 원형 별의 초기 농도를 측정하기 위한 적절한 처리되지 않은 원소(예: 아르곤)를 규명한다.

제안 방법

• 65개의 PNe에 대한 새로운 분광 관측과 118개 추가 PNe의 기존 발표 자료 재분석을 통합하여 총 183개의 균일한 샘플을 확보한다.
• 모든 천체에 동일한 온도 및 밀도 진단법을 적용하여 이온화 보정 인자와 원소 농도를 유도한다.
• 전통적인 농도-농도 다이어그램(예: He-N/O, O-Ne)을 활용하여 추세를 식별하고, 유형 I와 비유형 I PNe를 구분한다.
• 제3의 침투, 뜨거운 바닥 연소, 오버슈트링과 같은 항성 진화 과정이 관측 농도에 미치는 영향을 평가한다.
• 오버슈트링과 회전을 고려한 이론 모델과 비교하여 관측 농도가 예측과 일치하는지 평가한다.
• 염소, 황, 아르곤과 같은 핵심 원소의 검출 가능성과 신뢰성에 대해 선강도와 파장 범위를 중심으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PNe의 관측 산소 및 네온 농도는 어느 정도 원형 별의 초기 조성과 관련이 있는가?
• RQ2 제3의 침투와 뜨거운 바닥 연소의 효율성은 LMC 및 SMC의 초기 금속성 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 아르곤은 처리되지 않은 성질을 지니고 있으므로, PNe에서 초기 금속성을 추적하는 데 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?
• RQ4 왜 저금속성 환경에서 He-N/O 다이어그램에서 유형 I와 비유형 I PNe의 구분이 모호한가?
• RQ5 현재의 가시광선 분광법이 황과 염소와 같은 핵심 원소를 PNe에서 측정하는 데 가지는 한계는 무엇인가?

주요 결과

• PNe의 산소 및 네온 농도는 제3의 침투 및 뜨거운 바닥 연소를 통해 상당히 변화되어 있으며, 이에 따라 원형 별의 초기 금속성 농도를 추론하는 데 사용할 수 없다.
• 제3의 침투는 SMC의 거의 모든 PNe에서 발생하며, LMC에서는 약 50%에서 발생하고, 은하수계에서는 소수의 경우에만 관측되며, 이는 저금속성 환경에서의 효율성이 높음을 시사한다.
• 뜨거운 바닥 연소는 SMC에서 더 흔히 발생하며, 고금속성 환경보다 낮은 질량의 별에서 발생한다. 이는 이론 모델과 일치한다.
• 항성 모델에서의 오버슈트링은 핵심 산소 생성을 증가시키며, 이는 후에 침투되어 PNe에서 관측된다. 이는 일부 물체에서 고산소 농도를 설명한다.
• 아르곤은 처리되지 않은 원소로서 현재까지 PNe에서 초기 금속성을 추적하는 데 가장 신뢰할 수 있는 유일한 원소이다. 염소 선은 너무 약하고, 황의 농도 측정은 약하거나 접근 불가능한 선으로 인해 제한된다.
• 공개된 스펙트럼의 상당수는 품질이 열 劣하며, 산란과 편향을 유발한다. 특히 더 밝고 질량이 큰 PNe를 선호하여 농도 결정의 신뢰성을 떨어뜨린다.