[논문 리뷰] Sulphur-bearing molecules in AGB stars I: The occurrence of hydrogen sulfide

T. Danilovich, M. Van de Sande외 5명|Lirias (KU Leuven)|2017. 07. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 59인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 아스템프티틱 거대 브랜치(AGB) 별의 원형성 환경에서 수소 황화물(H₂S)을 APEX 망원경을 이용한 마이크로파 관측을 통해 조사한다. H₂S는 질량 손실률이 높고 산소가 풍부한 AGB 별에서만 검출되었으며, H₂ 대비 상대 농도가 4×10⁻⁷에서 2.5×10⁻⁵ 사이로, 이는 H₂S가 이러한 환경에서 주요 황 운반체임을 시사한다. 특히 V1300 Aql과 GX Mon에서 그러한 경향이 두드러진다.

ABSTRACT

Through a survey of (sub-)millimetre emission lines of various sulphur-bearing molecules, we aim to determine which molecules are the primary carriers of sulphur in different types of AGB stars. In this paper, the first in a series, we investigate the occurrence of H$_2$S in AGB circumstellar envelopes and determine its abundance, where possible. We have surveyed 20 AGB stars with a range of mass-loss rates and of different chemical types using the APEX telescope to search for rotational transition lines of five key sulphur-bearing molecules: CS, SiS, SO, SO$_2$ and H$_2$S. Here we present our results for H$_2$S, including detections, non-detections and detailed radiative transfer modelling of the detected lines. We compare results based on different descriptions of the molecular excitation of H$_2$S and different abundance distributions, including those derived from chemical modelling results. We detected H$_2$S towards five AGB stars, all of which have high mass-loss rates of $\dot{M}\geq 5 imes 10^{-6}M_\odot$ yr$^{-1}$ and are oxygen-rich. H$_2$S was not detected towards the carbon or S-type stars that fall in a similar mass-loss range. For the stars in our sample with detections, we find peak o-H$_2$S abundances relative to H$_2$ between $4 imes 10^{-7}$ and $2.5 imes 10^{-5}$. Overall, we conclude that H$_2$S can play a significant role in oxygen-rich AGB stars with higher mass-loss rates, but is unlikely to play a key role in stars of other chemical types or the lower mass-loss rate oxygen-rich stars. For two sources, V1300 Aql and GX Mon, H$_2$S is most likely the dominant sulphur-bearing molecule in the circumstellar envelope.

연구 동기 및 목표

• AGB 별의 원형성 환경에서 수소 황화물(H₂S)의 존재 및 농도를 규명하는 것.
• H₂S가 다양한 화학적 유형의 AGB 별에서 황의 주요 운반체로 기능하는지 평가하는 것.
• 복합선 관측과 복사전달 모델링을 통해 H₂S 농도 분포를 제약하는 것.
• 다른 황 함유 분자의 농도와 비교하여 검출된 근원에서의 총 황 예산을 평가하는 것.

제안 방법

• H₂S 및 기타 황 함유 분자의 회전 전이를 검출하기 위해 APEX 망원경을 사용해 20개의 AGB 별에 대한 마이크로파 조사 실험을 수행하였다.
• 검출된 o-H₂S 선을 두 가지 화학 모델에서 유도된 농도 분포와 하나의 가우시안 프로파일을 사용해 세부적인 복사전달 모델링을 수행하였다.
• 충돌성 탈-excitations 비율을 H₂O 비율에서 스케일링한 다양한 충돌률을 가진 세 가지 다른 분자 데이터 파일을 활용하여 모델링의 불확실성을 평가하였다.
• 관측된 선 강도를 합성 스펙트럼과 비교하여 H₂S 기저 밀도와 농도 프로파일을 유도하였다.
• 검출되지 않은 별들에 대해서는 H₂S 농도에 대한 상한선을 설정하였다.
• 신호 대 잡음 비율이 낮아 전체 모델링이 불가능했음에도 불구하고, 동위원소 이종체 선(o-H₂³⁴S, p-H₂S)의 농도 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 유형의 AGB 별에서 H₂S를 검출할 수 있으며, 그 존재를 유리하게 만드는 조건은 무엇인가?
• RQ2 검출된 근원에서 H₂S의 최대 상대 농도는 H₂ 대비 얼마이며, 질량 손실률과 화학적 유형에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 검출된 별의 원형성 환경에서 H₂S는 주요 황 함유 분자인가?
• RQ4 다양한 분자 데이터 파일과 자극 모델이 유도된 H₂S 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 강한 H₂S 방출이 있는 근원에서 다른 황 함유 분자들은 총 황 예산에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• H₂S는 5개의 AGB 별에서 검출되었으며, 이들 모두가 산소가 풍부하고 질량 손실률이 높은 별(Ṁ ≥ 5×10⁻⁶ M☉ yr⁻¹)이었다.
• 유사한 질량 손실률을 가진 탄소 또는 S형 별에서는 H₂S 검출이 없었으며, 이는 화학적 유형에 강한 의존성을 보임을 시사한다.
• o-H₂S의 최대 상대 농도는 H₂ 대비 4×10⁻⁷에서 2.5×10⁻⁵ 사이로, 근원과 모델링 방법에 따라 달라졌다.
• V1300 Aql과 GX Mon에서는 H₂S가 가장 가능성이 높은 주요 황 함유 분자이며, SiS, SO, SO₂와의 조합으로 예상되는 총 황 농도와 일치함을 확인하였다.
• V1300 Aql과 GX Mon 두 근원에서 SiS, SO, SO₂, CS의 총 농도가 예상되는 황 예산과 일치하여, HS나 원자 상태 황의 기여가 미미함을 시사한다.
• 신뢰할 수 있는 p-H₂S 또는 o-H₂³⁴S 검출이 부족하여, 동위원소 이종체 비율을 제약하거나 농도 모델을 검증할 수 없었으며, 이는 향후 더 나은 데이터 또는 업데이트된 충돌률 계수의 필요성을 시사한다.