[논문 리뷰] The Abundance of SiC2 in Carbon Star Envelopes: Evidence that SiC2 is a gas-phase precursor of SiC dust

S. Massalkhi, M. Agúndez외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 78인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경 관측을 통해 탄소 농축 AGB 별의 대부분에서 SiC2를 검출하였으며, 그 농도가 외부 대기 밀도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 밝혀졌다. 결과적으로 SiC2는 기체상에서 SiC 먼지가 형성되는 핵심 전구체일 가능성이 높으며, 고밀도 영역에서 충돌 빈도가 증가함에 따라 먼지 입자에 효율적으로 통합되기 때문이다. 이는 산소 농축 별에서 SiO가 수행하는 것과 유사하다.

ABSTRACT

Silicon carbide dust is ubiquitous in circumstellar envelopes around C-rich AGB stars. However, the main gas-phase precursors leading to the formation of SiC dust have not yet been identified. The most obvious candidates among the molecules containing an Si--C bond detected in C-rich AGB stars are SiC2, SiC, and Si2C. We aim to study how widespread and abundant SiC2, SiC, and Si2C are in envelopes around C-rich AGB stars and whether or not these species play an active role as gas-phase precursors of silicon carbide dust in the ejecta of carbon stars. We carried out sensitive observations with the IRAM 30m telescope of a sample of 25 C-rich AGB stars to search for emission lines of SiC2, SiC, and Si2C in the 2 mm band. We performed non-LTE excitation and radiative transfer calculations based on the LVG method to model the observed lines of SiC2 and to derive SiC2 fractional abundances in the observed envelopes. We detect SiC2 in most of the sources, SiC in about half of them, and do not detect Si2C in any source, at the exception of IRC +10216. Most of these detections are reported for the first time in this work. We find a positive correlation between the SiC and SiC2 line emission, which suggests that both species are chemically linked, the SiC radical probably being the photodissociation product of SiC2 in the external layer of the envelope. We find a clear trend in which the denser the envelope, the less abundant SiC2 is. The observed trend is interpreted as an evidence of efficient incorporation of SiC2 onto dust grains, a process which is favored at high densities owing to the higher rate at which collisions between particles take place. The observed behavior of a decline in the SiC2 abundance with increasing density strongly suggests that SiC2 is an important gas-phase precursor of SiC dust in envelopes around carbon stars.

연구 동기 및 목표

• 탄소 농축 AGB 별의 원형성 환경에서 SiC2, SiC, Si2C의 농도와 분포를 규명하는 것.
• Si–C 결합 구조를 고려할 때 SiC2가 SiC 먼지 형성 과정에서 기체상 전구체로 작용하는지 조사하는 것.
• 분자 농도와 외부 대기 밀도 간의 상관관계를 분석하여 먼지 형성 과정을 추론하는 것.
• SiO가 산소 농축 별에서 알려진 전구체인 것과 비교하여 SiC2의 행동을 평가함으로써 먼지 핵형성에서의 역할을 분석하는 것.
• 은하적 확산 유동에서 SiC2와 SiC 간의 광해리 및 생성 경로를 통해 화학적 연결 고리를 설정하는 것.

제안 방법

• IRAM 30m 망원경을 사용하여 25개의 탄소 농축 AGB 별에 대해 2 mm 대역의 민감한 방출선 관측을 수행하였다.
• 관측된 SiC2 선을 해석하기 위해 LVG 방법을 사용한 비-LTE 에너지 수준 및 복사전달 모델링을 수행하였다.
• 복사전달 해석 결과와 선 강도를 기반으로 SiC2의 분수 농도를 계산하였다.
• SiC2 농도와 외부 대기 밀도 간의 상관관계를 분석하여 먼지 입자에의 통합 효율성을 추론하였다.
• 광해리 모델을 사용하여 SiC2와 SiC 선 방출 간의 연결 고리를 설정하였으며, SiC2에서 SiC로 이르는 화학 경로를 뒷받침하였다.
• 산소 농축 별에서 알려진 먼지 형성 과정, 특히 SiO의 감소 경향과 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소 농축 AGB 별의 원형성 환경에서 SiC2, SiC, Si2C는 얼마나 광범위하고 높은 농도로 존재하는가?
• RQ2 SiC2 농도와 외부 대기 밀도 사이에 검출 가능한 상관관계가 존재하는가? 만약 그렇다면, 이는 먼지 형성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 SiC2와 SiC 간의 화학적 관계는 무엇이며, SiC2는 외부 대기 층에서 광해리되어 SiC를 형성하는가?
• RQ4 밀도에 따른 SiC2 농도 변화 경향이 SiC2가 SiC 먼지의 기체상 전구체로서의 역할을 뒷받침하는가?
• RQ5 SiC2의 행동은 산소 농축 AGB 별에서의 SiO와 비교하여, 먼지 형성으로 인한 감소 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• SiC2는 25개의 탄소 농축 AGB 별 중 22개에서 검출되어 탄소 별의 외부 대기에서 널리 퍼져 있음을 시사한다.
• SiC는 관측된 소스의 약 절반에서 검출되었으며, SiC와 SiC2 선 방출 간에 양의 상관관계가 있었다.
• IRC +10216를 제외한 모든 소스에서 Si2C의 유의미한 검출이 이루어지지 않아, 이 환경에서는 Si2C가 흔하거나 안정적이지 않음을 시사한다.
• SiC2 분수 농도와 외부 대기 밀도 사이에 명확한 반비례 상관관계가 발견되었으며, 밀도가 높은 영역일수록 SiC2의 농도가 낮아졌다.
• 고밀도 영역에서 SiC2의 감소는 충돌 빈도 증가에 의해 증가하는 입자 표면에의 효율적 통합을 뒷받침하는 증거로 해석된다.
• 결과적으로 SiC2는 탄소 농축 AGB 별에서 SiC 먼지의 주요 기체상 전구체로 강력히 지지되며, 산소 농축 시스템에서 SiO가 수행하는 것과 유사하다.