[논문 리뷰] The 12C/13C-ratio in cool carbon stars

F. L. Schoeier, H. Olofsson|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 17.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 밀리미터파 13CO 방출을 이용해 냉각된 탄소별의 12C/13C 비율을 결정하며, 비-LTE 복사전달 모델을 적용하여 광학 두께 효과를 보정한다. 유도된 12CO/13CO 비율(2.5에서 90 사이)은 Lambert 등(1986)의 광학적 표면값과 밀도적으로 일치하며, 이들의 높은 동위원소 비율을 지지하고 이전 연구의 모순된 주장들을 해소한다. 또한 정확한 모델링이 이루어질 경우, 원반주변의 동위원소 비율이 항성의 12C/13C 비율을 신뢰성 있게 반영함을 보여준다.

ABSTRACT

We present observations of circumstellar millimetre-wave 13CO line emission towards a sample of 20 cool carbon stars. Using a detailed radiative transfer model we estimate the circumstellar 12CO/13CO-ratios, which we believe accurately measure the important stellar 12C/13C-ratios. For those optically bright carbon stars where it is possible, our derived 12C/13C-ratios are compared with the photospheric results, obtained with different methods. Our estimates agree well with those of Lambert et al. (1986). It is shown that a straightforward determination of the 12CO/13CO-ratio from observed line intensity ratios is often hampered by optical depth effects, and that a detailed radiative transfer analysis is needed in order to determine reliable isotope ratios.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 탄소별에서 12C/13C 비율에 대한 상반된 측정치를 해결한다. 특히 Lambert 등(1986)과 Ohnaka & Tsuji(1996, 1999) 간의 차이를 다룬다.
• 12CO 방출에서 광학 두께 효과로 인해 단순한 선 강도 비율이 신뢰할 수 없음을 다루며, 이를 복사전달 모델링으로 보정할 수 있는지 검토한다.
• 원반주변의 12CO 및 13CO 밀리미터파 선 방출을 이용해 정밀한 복사전달 모델링을 통해 정확한 12C/13C 비율을 유도한다.
• 10²–10³년의 시간 스케일 동안 원반주변 12CO/13CO 비율이 항성의 12C/13C 비율을 신뢰할 수 있는 대체 측정치로 사용될 수 있는지 검증한다.
• 이론적 예측(탄소-질소-산소 순환 핵합성 및 질량 손실 역사)과 결과의 일관성을 평가한다.

제안 방법

• 스웨덴-ESO 밀리미터파 망원경, 온살라 20m 망원경, NRAO 12m 망원경을 이용해 20개의 냉각된 탄소별에서 13CO 선 방출을 관측하였다.
• 원반주변의 12CO 및 13CO의 진동 및 방출을 모델링하기 위해 비-LTE 복사전달 코드를 적용하였다.
• 12CO 및 13CO의 분자 농도 분포를 Mamon 등(1988)의 자료를 기반으로 하였으며, 광분해 및 화학적 분수분배를 고려하였다.
• 다중 전이 선 데이터를 활용해 모델을 校정하였고, 질량 손실율, 팽창 속도, 온도 구조 등의 매개변수를 조정하였다.
• 세부 수준 분포 및 선 프로파일을 고려해 복사전달 방정식을 풀어 12CO 선에서의 광학 두께 효과를 보정하였다.
• 원반주변 12CO/13CO 비율을 Lambert 등(1986)과 Ohnaka & Tsuji(1996)의 광학적 표면값과 비교하여 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적 표면 분석과 원반주변 분석 간의 상반된 추정치가 존재하는 가운데, 냉각된 탄소별의 진정한 12C/13C 비율은 무엇인가?
• RQ2 12CO 선에서의 광학 두께 효과는 단순한 강도 비율 방법을 어떻게 왜곡하는가? 그리고 복사전달 모델링으로 이를 보정할 수 있는가?
• RQ3 10²–10³년의 시간 스케일 동안 원반주변 12CO/13CO 비율이 항성의 본질적 12C/13C 비율을 신뢰성 있게 반영할 수 있는가?
• RQ4 유도된 12CO/13CO 비율은 Lambert 등(1986)이 보고한 높은 값들을 지지하는가, 아니면 Ohnaka & Tsuji(1996)의 낮은 값들을 지지하는가?
• RQ5 J-별과 질량 손실율이 높은 별들(예: IRAS 15194-5115)의 12C/13C 비율은 CNO순환 핵합성 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 정밀한 복사전달 모델링을 통해 도출된 원반주변 12CO/13CO 비율은 2.5에서 90 사이이며, 대부분의 값은 10에서 90 사이에 분포한다.
• 유도된 12CO/13CO 비율은 Lambert 등(1986)의 광학적 표면 12C/13C 비율과 잘 일치하며, 이들의 높은 비율을 지지한다.
• 단순한 강도 비율 방법은 12CO 선에서 강한 광학 두께 효과로 인해 신뢰할 수 없으며, 특히 고질량 손실율을 보이는 별에서 더욱 심각하다.
• 광학 두께 보정이 필수적이다. 이 연구는 원반주변 12CO/13CO 비율이 Greaves & Holland(1997)가 보고한 값보다 거의 두 배에 가까운 것으로 발견하였다.
• R Reticulii와 S Sculptoris의 탈리드된 껍질은 현재 광학적 표면 값과 일치하는 12CO/13CO 비율을 보이며, 약 10³–10⁴년 동안 구성 성분의 변화가 없음을 시사한다.
• J-별과 질량 손실율이 높은 별인 IRAS 15194-5115는 CNO순환 예측과 일치하는 12C/13C 비율을 보이며, IRAS 15194-5115는 아마도 3.5 M☉의 핫 본드로우닝 임계값 근처일 수 있다.