[논문 리뷰] The 12CO/13CO ratio in AGB stars of different chemical type-Connection to the 12C/13C ratio and the evolution along the AGB

S. Ramstedt, H. Olofsson|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 25.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 56

한 줄 요약

이 연구는 55개의 AGB 별(M-, S-, 탄소형)의 라디오 선 데이터를 이용한 세밀한 복사전달 모델링을 통해, 원환성 환경 내 12CO/13CO 비율이 AGB 단계에서의 항성 진화와 연결됨을 처음으로 관측적으로 입증한다. M형 별(중앙값 13)에서 S형 별(26)으로 탄소 별(34)로 갈수록 12CO/13CO 비율이 체계적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 탄소 별에서는 더 넓은 산포를 보이며, 이는 AGB 진화의 최종 단계로서의 역할을 뒷받침한다.

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the evolution of the 12C/13C ratio along the AGB through the circumstellar 12CO/13CO ratio. This is the first time a sample including a significant number of M- and S-type stars is analysed together with a carbon-star sample of equal size, making it possible to investigate trends among the different types and establish evolutionary effects. The circumstellar 12CO/13CO abundance ratios are estimated through a detailed radiative transfer analysis of single-dish radio line emission observations. First, the 12CO radiative transfer is solved, assuming an abundance (dependent on the chemical type of the star), to give the physical parameters of the gas, i.e. mass-loss rate, gas expansion velocity, and gas temperature distribution. Then, the 13CO radiative transfer is solved using the results of the 12CO model giving the 13CO abundance. Finally, the 12CO/13CO abundance ratio is calculated. The circumstellar 12CO/13CO abundance ratio differs between the three spectral types. This is consistent with what is expected from stellar evolutionary models assuming that the spectral types constitute an evolutionary sequence; however, this is the first time this has been shown observationally for a relatively large sample covering all three spectral types. The median value of the 13CO abundance in the inner circumstellar envelope is 1.6x10^-5, 2.3x10^-5, and 3.0x10^-5 for the M-type, S-type, and carbon stars of the sample, respectively, corresponding to 12CO/13CO abundance ratios of 13, 26, and 34, respectively. Interestingly, the abundance ratio spread of the carbon stars is much larger than for the M- and S-type stars, even when excluding J-type carbon stars, in line with what could be expected from evolution on the AGB. We find no correlation between the isotopologue ratio and the mass-loss rate, as would be expected if both increase as the star evolves.

연구 동기 및 목표

• AGB 단계에서의 12C/13C 이소토프 비율 변화를 연구하기 위해, 별주위 12CO/13CO 농도 비율을 측정한다.
• M, S, 탄소형 별이 진화적 순서를 이룬다는 가설을 검증하기 위해, 각 유형 간의 이소토프 비율을 비교한다.
• 질량 손실률이 이소토프 비율에 미치는 영향을 평가하여, 진화 단계와의 상관관계가 예상되는 바를 도전한다.
• 별주위 12CO/13CO 비율이 본질적인 항성 12C/13C 비율을 얼마나 정확히 반영하는지 평가한다.
• AGB 별과 후-AGB 천체 간의 연관성을 탐색하기 위해, 진화 단계 간의 이소토프 비율을 비교한다.

제안 방법

• 다양한 화학적 유형의 55개 AGB 별에 대해 단일 안테나 라디오 선 관측을 수행하여 여러 12CO 및 13CO 전이선을 분석한다.
• 몬테카를로 방법에 기반한 3차원 비-LTE 복사전달 코드를 사용하여 별주위 환경 내 복사전달을 모델링한다.
• 통계적 평형 방정식과 에너지 보존을 자료적으로 통합하여, SED에서 유도된 열적-dust 복사도 포함한다.
• 먼저 12CO 복사를 모델링하여 물리적 매개변수(질량 손실률, 팽창 속도, 온도 분포)를 도출한 후, 이를 바탕으로 13CO 농도를 유도한다.
• 유도된 13CO 농도와 12CO 광학적 깊이를 이용하여 12CO/13CO 농도 비율을 계산한다.
• 유사한 코드들과의 비교를 통해 복사전달 모델의 신뢰성과 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGB 진화 모델이 예측하는 바와 같이, M형에서 S형으로 탄소 별로 갈수록 별주위 환경 내 12CO/13CO 비율이 체계적으로 증가하는가?
• RQ2 12CO/13CO 비율과 질량 손실률 사이에 상관관계가 있는가? 이는 둘 다 AGB 단계에서 시간이 지남에 따라 증가할 것으로 예상되기 때문이다.
• RQ3 AGB 별에서 관측된 이소토프 비율은 후-AGB 별과 어떻게 비교되는가? 이는 이 둘 간의 진화적 연결 고리에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 관측된 12CO/13CO 비율이 본질적인 항성 12C/13C 비율을 어느 정도 반영하는가? 그리고 정확한 농도 결정을 위해 세밀한 복사전달 모델링이 필수적인가?
• RQ5 왜 탄소 별에서는 M형 및 S형 별보다 12CO/13CO 비율의 산포가 현저히 넓은가?

주요 결과

• M형 별의 중앙값 12CO/13CO 농도 비율은 13에서 S형 별은 26, 탄소 별은 34로 증가하여 M에서 C 별로의 진화적 순서를 지지한다.
• 내부 별주위 환경 내 13CO 농도는 M형 별에서 1.6 × 10⁻⁵, S형 별에서 2.3 × 10⁻⁵, 탄소 별에서 3.0 × 10⁻⁵로 증가하며, 진화 단계에 따라 13C 농도가 체계적으로 증가함을 시사한다.
• 12CO/13CO 비율의 산포는 제10 백분위수 대비 제90 백분위수 비율로 측정했을 때, M형 별은 4, S형 별은 3, 탄소 별은 15로 나타나, 탄소 별에서는 AGB 진화와 탄소 별 형성 이전의 ¹²C 덮개업이 제한된 상태를 반영한 넓은 분포를 보이며 일관성을 갖는다.
• 12CO/13CO 비율과 질량 손실률 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아, AGB 단계에서 시간이 지남에 따라 둘이 일관되게 증가한다는 가정을 도전한다.
• 세밀한 복사전달 모델링을 통해 유도된 별주위 12CO/13CO 비율은 본질적인 항성 12C/13C 비율을 잘 반영하며, 이는 이 비율이 진화 추적자로서의 신뢰성을 확인한다.
• 후-AGB 별의 이소토폴루 비율 분포는 탄소 별보다 M형 AGB 별과 더 유사하여, M형 별에서 유래하거나 후-AGB 천체가 상대적으로 질량이 큰 원천을 가졌을 가능성이 있음을 시사한다.