[논문 리뷰] Properties of detached shells around carbon stars: Evidence of interacting winds

F. L. Schoeier, M. Lindqvist외 1명|ArXiv.org|2005. 03. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 탄소 항성 주변 이격된 분자 링에서 CO 선 방출과-dust 연속 방출의 복사전달 모델링을 제시하며, 상호작용하는 바람에 대한 강력한 증거를 제공한다. 약 300년간 약 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹의 고속 질량 손실 사건 이후, 저속 질량 손실률 약 10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹로 회복되는 짧은 기간의 고속 질량 손실이 관측된 링의 운동학 및 질량 분포를 설명하며, DR~Ser는 이러한 젊은 링 시스템의 새로운 사례로 확인된다.

ABSTRACT

The nature of the mechanism responsible for producing the spectacular, geometrically thin, spherical shells found around some carbon stars has been an enigma for some time. Based on extensive radiative transfer modelling of both CO line emission and dust continuum radiation for all objects with known detached molecular shells, we present compelling evidence that these shells show clear signs of interaction with a surrounding medium. The derived masses of the shells increase with radial distance from the central star while their velocities decrease. A simple model for interacting winds indicate that the mass-loss rate producing the faster moving wind has to be almost two orders of magnitudes higher (~10^-5 solar masses per year) than the slower AGB wind (a few 10^-7 solar masses per year) preceding this violent event. At the same time, the present-day mass-loss rates are very low indicating that the epoch of high mass-loss rate was relatively short, on the order of a few hundred years. This, together with the number of sources exhibiting this phenomenon, suggests a connection with He-shell flashes (thermal pulses). We report the detection of a detached molecular shell around the carbon star DR Ser, as revealed from new single-dish CO (sub-)millimetre line observations. The properties of the shell are similar to those characterising the young shell around U Cam.

연구 동기 및 목표

• 탄소 항성 주변에서 관측된 기하학적으로 얇은 이격된 분자 링의 물리적 기원을 조사하기 위해.
• 이 링이 일시적인 고속 질량 손실 사건이 이전에 존재하는 느린 바람과 상호작용하여 발생하는지 여부를 규명하기 위해.
• 다중선 CO 및 먼지 연속 방출 관측을 통해 탄소 항성의 질량 손실 역사를 제약하기 위해.
• 새로운 이격 링 원천을 식별하고, 이러한 현상이 AGB 항성에서 얼마나 흔한지 평가하기 위해.
• He-쉘 플래시(열 펄스)가 관측된 질량 손실 변동성의 원인으로서의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• R~Scl, U~Cam, V644~Sco 및 DR~Ser의 단일 안테나 CO (서브-)미리터 선 관측을 수행하여 이격 링을 탐지하고 특성화하였다.
• CO 선 방출과 먼지 연속 방출의 복사전달 모델링을 수행하여 링의 물리적 매개변수를 유도하였다.
• 두 바람이 상호작용하는 모델을 사용: 빠르고 질량 손실률이 높은 바람 (~10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹) 이 이전의 느린 AGB 바람 (~10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹) 과 상호작용하는 방식.
• 여러 개의 CO 전이 상태(J=1→0부터 J=8→7까지)에서 링의 운동학 및 강도 프로파일을 모델링하여 온도와 열역학적 밀도를 제약하였다.
• 모델 예측을 관측된 선 강도 및 공간 형태와 비교하여 일관성을 평가하였다.
• 반사된 먼지 빛과 적외선 데이터의 제약 조건을 통합하여 링의 위치와 질량을 교차 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 기하학적으로 얇은 이격된 분자 링이 탄소 항성 주변에 형성되는가?
• RQ2 관측된 링 운동학 및 질량 분포는 상호작용 바람 시나리오로 설명될 수 있는가?
• RQ3 고속 방출 사건과 관련된 시간 척도와 질량 손실률은 무엇인가?
• RQ4 중심 항성으로부터의 반경 거리에 따라 링의 물리적 성질(질량, 속도, 온도)은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 링 형성과 AGB 진화에서의 He-쉘 플래시(열 펄스) 사이에 관련성이 있는가?

주요 결과

• 탄소 항성 DR~Ser 주변에 새로운 이격 분자 링이 탐지되어, 알려진 이와 같은 시스템의 수가 총 일곱 개로 증가하였다.
• 모든 관측 대상에서 링의 질량은 중심 항성으로부터의 반경 거리가 증가함에 따라 증가하는 반면, 팽창 속도는 감소한다.
• 관측된 데이터는 약 300년간 지속되는 짧은 기간의 고속 질량 손실 사건 (~10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹) 이후, 저속 질량 손실 상태 (~10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹)로 회복되는 시나리오로 가장 잘 설명된다.
• 상호작용 바람 모델은 여러 CO 전이 상태에서 관측된 링의 형태, 운동학, 선 강도를 성공적으로 재현한다.
• 기체의 운동 온도는 가장 불확실한 매개변수이며, 고- $J$ CO 전이 상태가 향후 제약을 제공할 잠재력이 가장 크다.
• R~Scl은 먼지 반사 빛과 CO 모델링 간의 괴리로 인해, 별도의 질량 손실 역사를 가졌을 가능성이 있으며, 간섭계를 통한 추가 연구가 필요하다고 제기된다.