[논문 리뷰] Probing the mass-loss history of AGB and red supergiant stars from CO rotational line profiles I. Theoretical model -- Mass-loss history unravelled in VY CMa

L. Decin, S. Hony외 4명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2006. 06. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 66인용 수 99

한 줄 요약

이 논문은 AGB 및 적색 초거성 별의 질량 손실 역사를 복원하기 위해 CO 회전선 프로파일을 모델링하는 비-LTE 복사전달 코드를 제시한다. VY CMa에 적용한 결과, 약 1000년 전에 약 100년 동안 지속된 고질량 손실 이벤트가 드러났으며, 그 비율은 약 3.2×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹이었다. 이 이벤트 이전에는 약 800년간 저질량 손실(약 1×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹)이 지속되었고, 현재 질량 손실률은 약 8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹이다.

ABSTRACT

Context: Mass loss plays a dominant role in the evolution of low mass stars while they are on the Asymptotic Giant Branch (AGB). The gas and dust ejected during this phase are a major source in the mass budget of the interstellar medium. Recent studies have pointed towards the importance of variations in the mass-loss history of such objects. Aims: By modelling the full line profile of low excitation CO lines emitted in the circumstellar envelope, we can study the mass-loss history of AGB stars. Methods: We have developed a non-LTE radiative transfer code, which calculates the velocity structure and gas kinetic temperature of the envelope in a self-consistent way. The resulting structure of the envelope provides the input for the molecular line radiative calculations which are evaluated in the comoving frame. The code allows for the implementation of modulations in the mass-loss rate. This code has been benchmarked against other radiative transfer codes and is shown to perform well and efficiently. Results: We illustrate the effects of varying mass-loss rates in case of a superwind phase. The model is applied to the well-studied case of VY CMa. We show that both the observed integrated line strengths as the spectral structure present in the observed line profiles, unambiguously demonstrate that this source underwent a phase of high mass loss (~ 3.2E-4 Msun/yr) some 1000 yr ago. This phase took place for some 100 yr, and was preceded by a low mass-loss phase (~ 1E-6 Msun/yr) taking some 800 yr. The current mass-loss rate is estimated to be in the order of 8E-5 Msun/yr. Conclusions: In this paper, we demonstrate that both the relative strength of the CO rotational line profiles and the (non)-occurrence of spectral structure in the profile offer strong diagnostics to pinpoint the mass-loss history.

연구 동기 및 목표

• 원심성 환경에서 기체 역학, 운동온도, 분자선 방출을 자료적으로 모델링할 수 있는 비-LTE 복사전달 코드를 개발한다.
• AGB 및 적색 초거성 별에서 시간에 따라 변화하는 질량 손실 역사를 진단하기 위해 CO 회전선 프로파일을 활용한다.
• 복잡한 우주선 구조를 가진 잘 연구된 적색 초거성 VY CMa에 모델을 적용한다.
• 스펙트럼 선 형상과 강도가 과거의 질량 손실률, 특히 기간적 이벤트를 유일하게 제약 조건으로 설정할 수 있는지 확인한다.
• 기존 모델과의 비교를 통해 코드의 정확성과 효율성을 검증한다.

제안 방법

• 코드는 원심성 환경에서 기체 역학의 에너지 및 운동량 방정식을 해결하며, 가열 및 냉각 과정을 포함한다.
• 먼지-기체 결합, 복사가열, CO 회전 전이에 의한 냉각을 고려하여 운동온도 구조를 자료적으로 계산한다.
• 비-LTE 수준 분포를 사용하여 공동 기준에서 분자선 방출을 계산하며, CO 회전 전이까지 J=7–6까지 고려한다.
• 시간에 따라 변화하는 질량 손실률을 허용하여 기간적 또는 조절된 질량 손실 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 기존의 복사전달 코드와의 비교를 통해 코드의 성능과 정확성을 검증한다.
• 모델은 VY CMa의 관측된 CO 선 프로파일(다양한 전이, J=1–0부터 J=7–6까지)에 적용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO 회전선 프로파일은 AGB 및 적색 초거성 별의 시간에 따라 변화하는 질량 손실 역사를 유일하게 제약 조건으로 설정할 수 있는가?
• RQ2 VY CMa에서 관측된 CO 선 형상에 대해 필요한 물리적 조건(온도, 속도 구조)은 무엇인가?
• RQ3 VY CMa는 과거에 고질량 손실 이벤트를 경험했는가? 만약 그렇다면 그 지속 기간과 비율은 무엇이었는가?
• RQ4 질량 손실률의 변화가 CO 선의 상대 강도와 스펙트럼 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 우주선 형태는 선형형 분석을 통한 유추된 질량 손실 역사와 일치하는가?

주요 결과

• VY CMa는 약 1000년 전에 약 100년 동안 지속된 고질량 손실 이벤트를 경험했으며, 그 비율은 약 3.2×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹이었다.
• 이 고질량 손실 단계 이전에는 약 800년간 저질량 손실(약 1×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹)이 지속되었다.
• 현재 질량 손실률은 약 8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹로 추정되며, 피크 이벤트보다 현저히 낮다.
• 모델은 CO 선의 상대 강도와 스펙트럼 구조(예: 이중피크 특징)가 과거 질량 손실 변화의 강력한 진단 도구임을 보여준다.
• 유도된 질량 손실 역사는 허블 및 적외선 관측 결과와 일치하며, 항성으로부터 1′′–7′′ 거리에 있는 우주선 아치와 응집체가 관측된다.
• 결과적으로, 일정한 질량 손실을 가정하는 것은 별의 진화 역사를 현저히 완전하지 못하게 만든다.