[논문 리뷰] Probing the mass-loss history of AGB and red supergiant stars from CO rotational line profiles - II. CO line survey of evolved stars: derivation of mass-loss rate formulae

E. De Beck, L. Decin외 5명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2010. 08. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 88인용 수 129

한 줄 요약

이 논문은 CO 회전선 프로파일을 이용하여 연령이 높은 별—AGB, 적색 초거성, 노랑 초거성 별—의 질량 손실률을 추정하기 위한 분석 공식을 유도한다. 여덟 개의 전이에서 발생하는 CO 회전선 프로파일을 활용하며, 비국소 열평형에서의 복사전달을 모델링함으로써 선 포화 및 공간 해상도 효과를 고려하여 높은 질량 손실률을 정확하게 추정할 수 있다. 특히 CO(2–1)는 단일 선으로 가장 신뢰할 수 있는 추정을 제공한다.

ABSTRACT

We aim to (1) set up simple and general analytical expressions to estimate mass-loss rates of evolved stars, and (2) from those calculate estimates for the mass-loss rates of asymptotic giant branch (AGB), red supergiant (RSG), and yellow hypergiant stars in our galactic sample. Rotationally excited lines of CO are a very robust diagnostic in the study of circumstellar envelopes (CSEs). When sampling different layers of the CSE, observations of these molecular lines lead to detailed profiles of kinetic temperature, expansion velocity, and density. A state-of-the-art, nonlocal thermal equilibrium, and co-moving frame radiative transfer code that predicts CO line intensities in the CSEs of late-type stars is used in deriving relations between stellar and molecular-line parameters, on the one hand, and mass-loss rate, on the other. We present analytical expressions for estimating the mass-loss rates of evolved stellar objects for 8 rotational transitions of the CO molecule, apply them to our extensive CO data set covering 47 stars, and compare our results to those of previous studies. Our expressions account for line saturation and resolving of the envelope, thereby allowing accurate determination of very high mass-loss rates. We argue that, for estimates based on a single rotational line, the CO(2-1) transition provides the most reliable mass-loss rate. The mass-loss rates calculated for the AGB stars range from 4x10^-8 Msun/yr up to 8x10^-5 Msun/yr. For RSGs they reach values between 2x10^-7 Msun/yr and 3x10^-4 Msun/yr. The estimates for the set of CO transitions allow time variability to be identified in the mass-loss rate. Possible mass-loss-rate variability is traced for 7 of the sample stars. We find a clear relation between the pulsation periods of the AGB stars and their derived mass-loss rates, with a levelling off at approx. 3x10^-5 Msun/yr for periods exceeding 850 days.

연구 동기 및 목표

• 연-aged 별의 질량 손실률을 추정하기 위한 일반적이고 분석적인 표현식을 개발한다. 이는 CO 회전선 프로파일을 기반으로 한다.
• 정밀한 추정을 위해 질량 손실률 공식 유도 시 선 포화 및 환경 해상도 효과를 고려한다.
• 이 공식들을 47개의 연-aged 별에 적용하여 질량 손실률을 추정하고 변동성을 탐지한다.
• AGB 별에서 펄세이션 주기와 질량 손실률 간의 상관관계를 조사한다.
• CO 선 강도 비율을 통해 12C/13C 이소otope 비율을 추정하여 항성 진화를 탐구한다.

제안 방법

• 유착 기준에서 비국소 열평형(non-LTE) 복사전달 코드를 사용하여 별주변 환경 내 CO 선 강도를 모델링한다.
• 별의 물리적 매개변수(예: 빛의 세기, 온도)와 CO 선 관측값(예: 선 너비, 광학 두께, 통합 복사량) 사이의 분석적 관계를 유도하여 질량 손실률을 추정한다.
• 저에너지 및 고에너지 전이를 모두 포함하는 8개의 CO 회전 전이(J=1–0에서 J=8–7까지)에서 관측된 47개의 연-aged 별에 이 이론적 접근법을 적용한다.
• (V–K)0 색색 지수와 경험적 온도 보정을 사용하여 간성 및 별주변 먼지의 적색화를 보정한다.
• 감도와 선 포화 효과 간의 최적 균형을 고려하여 CO(2–1) 선을 주요 기준선으로 사용한다.
• 다중 선 CO 데이터를 활용하여 질량 손실률의 시간적 변동성을 탐지하고, 선 강도 비율을 통해 12C/13C 비율을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선 포화 및 해상도 효과를 고려하여 CO 회전선 프로파일을 이용해 연-aged 별의 질량 손실률을 신뢰성 있게 추정할 수 있는 분석 공식은 무엇인가?
• RQ2 연-aged 별의 질량 손실률을 추정할 때 가장 정확한 단일 선은 어떤 CO 전이인가?
• RQ3 AGB 별과 적색 초거성 별의 질량 손실률은 그들의 펄세이션 주기와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 다중 시점 CO 선 데이터로부터 질량 손실률의 시간적 변동성을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 연-aged 별의 12C/13C 이소otope 비율은 얼마이며, 이는 그들의 진화 상태와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 유도된 분석 공식을 통해 8개의 CO 회전 전이에서 질량 손실률을 정확하게 추정할 수 있으며, 특히 CO(2–1)가 가장 신뢰할 수 있는 단일 선 추정을 제공한다.
• AGB 별의 질량 손실률 범위는 4×10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹에서 8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹이며, 적색 초거성의 경우 2×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹에서 3×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹이다.
• 샘플에 포함된 7개의 별에서 다중 선 CO 프로파일 분석을 통해 질량 손실률의 시간적 변동성이 확인되었다.
• AGB 별에서 펄세이션 주기와 질량 손실률 사이에 명확한 상관관계가 존재하며, 주기가 850일을 초과할 경우 질량 손실률이 약 3×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹로 포화되는 패턴을 보인다.
• 12C/13C 이소otope 비율은 CO 선 강도 비율에서 유도되며, 화학적 진화와 진화 상태를 탐색하는 데 유용한 도구가 된다.
• 이 방법은 선 포화 및 공간 해상도 효과를 효과적으로 보정하여 최대 약 10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹까지의 높은 질량 손실률을 견고하게 추정할 수 있다.