[논문 리뷰] Synthetic photometry for carbon-rich giants. IV. An extensive grid of dynamic atmosphere and wind models

Kimmo Eriksson, W. Nowotny외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 38인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 태양금속성 탄소풍부 AGB 항성에 대해 540개의 동적 대기 및 바람 모델을 포함하는 격자 모델을 제시하며, 저해상도 스펙트럼과 광도계측(0.35–25 μm)을 계산하여 질량 손실 및 시간에 따라 변화하는 행동을 연구한다. 모델은 질량 손실률과 색상 측면에서 관측 결과와 양호한 일치를 보이나, 바람 속도의 이질성은 입자 투과도 가정과 매개변수 범위의 개선이 필요함을 시사하며, 항성 진화 모델의 질량 손실률에 큰 영향을 주지 않음.

ABSTRACT

The evolution and spectral properties of stars on the AGB are significantly affected by mass loss through dusty stellar winds. Dynamic atmosphere and wind models are an essential tool for studying these evolved stars, both individually and as members of stellar populations, to understand their contribution to the integrated light and chemical evolution of galaxies. This paper is part of a series testing state-of-the-art atmosphere and wind models of carbon stars against observations, and making them available for use in various theoretical and observational studies. We have computed low-resolution spectra and photometry (in the wavelength range 0.35-25 mu) for a grid of 540 dynamic models with stellar parameters typical of solar-metallicity C-rich AGB stars and with a range of pulsation amplitudes. The models cover the dynamic atmosphere and dusty outflow (if present), assuming spherical symmetry, and taking opacities of gas-phase species and dust grains consistently into account. To characterize the time-dependent dynamic and photometric behaviour of the models in a concise way we defined a number of classes for models with and without winds. Comparisons with observed data in general show a quite good agreement for example regarding mass-loss rates vs. (J-K) colours or K magnitudes vs. (J-K) colours. Some exceptions from the good overall agreement, however, are found and attributed to the range of input parameters (e.g. relatively high carbon excesses) or intrinsic model assumptions (e.g. small particle limit for grain opacities). While current results indicate that some changes in model assumptions and parameter ranges should be made in the future to bring certain synthetic observables into better agreement with observations, it seems unlikely that these pending improvements will significantly affect the mass-loss rates of the models.

연구 동기 및 목표

• 이론적 및 관측 연구를 지원하기 위해 태양금속성 탄소풍부 AGB 항성에 대한 일관되고 공개 가능한 동적 대기 및 바람 모델 격자를 개발하기 위해.
• 최신 모델의 성능을 탄소풍부 거대 항성의 관측 광도계측 및 스펙트럼적 성질과 비교하기 위해.
• 합성 관측 결과와 관측 결과 간의 이질성을 규명하여 향후 모델 개선을 안내하기 위해.
• 항성 진화 계산에 사용하기 위해 모델에서 유도된 질량 손실률의 신뢰성 평가를 위해.
• 특히 먼지 투과도 한계와 매개변수 범위와 같은 모델 가정이 합성 관측 결과에 미치는 영향 평가를 위해.

제안 방법

• 구형 대칭과 시간에 따라 변화하는 충격파를 고려한 540개의 동적 모델에 대해 0.35–25 μm 범위의 저해상도 스펙트럼과 광도계측을 계산하기 위해.
• 기체 상종과 먼지 입자에 대해 일관된 투과도를 포함하며, 작은 입자 한계에서의 비정질 탄소(amC)를 포함하기 위해.
• Mattsson 등(2010)의 격자를 기반으로 하며, 태양금속성 탄소풍부 AGB 항성의 일반적인 항성 매개변수와 변동하는 진동 진폭을 포함하기 위해.
• 동적 거동과 바람 존재 여부에 따라 모델 클래스를 정의하여 시간에 따라 변화하는 광도계측 및 대기 성질을 압축적으로 특성화하기 위해.
• 2MASS 및 IRAS와 같은 설문 조사에서 확보한 관측 데이터와 합성 관측 결과(예: (J–K) 색상, K 등급, 질량 손실률)를 비교하기 위해.
• 탄소 과잉, 빛의 강도, 진동 진폭과 같은 입력 매개변수에 대한 결과 민감도 평가를 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 대기 및 바람 모델은 탄소풍부 AGB 항성의 관측 광도계측 색상((J–K) 등)과 등급을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 진동 진폭과 탄소 과잉을 변화시킬 경우 합성 질량 손실률과 바람 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 먼지 투과도의 작은 입자 한계에 대한 모델 가정이 합성 관측 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 저질량 및 저광도 항성의 경우 현재 모델 예측의 바람 속도가 관측 결과와 일치하는가?
• RQ5 바람 속도 예측에 알려진 이질성이 존재하더라도, 이러한 모델에서 도출된 질량 손실률은 항성 진화 코드에 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 질량 손실률 대 (J–K) 색상 및 K 등급 대 (J–K) 색상에 대해 일반적으로 관측 결과와 만족스러운 일치를 보인다.
• 높은 탄소 과잉을 가진 모델은 관측된 항성보다 너무 높은 바람 속도를 예측하며, 이러한 항성이 희귀하거나 모델 가정을 조정할 필요가 있음을 시사한다.
• 낮은 (C–O) 값과 높은 질량 손실률을 가진 모델는 비현실적으로 낮은 바람 속도를 보이며, 이는 크기 의존성 있는 먼지 투과도가 필요함을 시사한다.
• 기초 연구 결과는 크기 의존성 있는 먼지 투과도를 작은 입자 한계 대신 사용할 경우, 질량 손실률에 큰 영향을 주지 않으면서 느린 바람의 속도를 증가시킬 수 있음을 시사한다.
• 바람 속도 예측의 이질성에도 불구하고 질량 손실률는 신뢰성 있고 향후 모델 개선에도 크게 영향을 받지 않을 것으로 예상된다.
• Wachter 등(2002)의 질량 손실 공식은 현재 모델보다 체계적으로 높은 비율을 산출하며, 관측 결과와의 더 나은 일치를 고려할 때 이를 하향 조정해야 함을 시사한다.