[논문 리뷰] The chemical composition of TS 01, the most oxygen-deficient planetary nebula. AGB nucleosynthesis in a metal-poor binary star

G. Stasińska, C. Morisset외 11명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2009. 11. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 42인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 Cloudy 3D와 별대기 모델 대기 구조를 사용한 세밀한 광이온화 모델링을 통해, 가장 산소가 부족한 항성운인 TS 01의 극한 화학 조성을 규명한다. 산소, 탄소, 질소, neon 농도는 각각 태양 농도의 1/70, 1/3.5, 1/4.2, 1/11이며, 관측된 핵합성 패턴을 재현하기 위해 금속 농도가 낮은 이중성 별이 가까이 공전하는 AGB 별에서의 회전 유도 혼합이 필요하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The planetary nebula TS 01 (also called PN G 135.9+55.9 or SBS 1150+599A), with its record-holding low oxygen abundance and its double degenerate close binary core (period 3.9 h), is an exceptional object located in the Galactic halo. We have secured observational data in a complete wavelength range in order to pin down the abundances of half a dozen elements in the nebula. The abundances are obtained via detailed photoionization modelling taking into account all the observational constraints (including geometry and aperture effects) using the pseudo-3D photoionization code Cloudy_3D. The spectral energy distribution of the ionizing radiation is taken from appropriate model atmospheres. Both stellar components contribute to the ionization: the ``cool'' one provides the bulk of hydrogen ionization, and the ``hot'' one is responsible for the presence of the most highly charged ions, which explains why previous attempts to model the nebula experienced difficulties. The nebular abundances of C, N, O, and Ne are found to be respectively, 1/3.5, 1/4.2, 1/70, and 1/11 of the Solar value, with uncertainties of a factor 2. Thus the extreme O deficiency of this object is confirmed. The abundances of S and Ar are less than 1/30 of Solar. Standard models of stellar evolution and nucleosynthesis cannot explain the abundance pattern observed in the nebula. To obtain an extreme oxygen deficiency in a star whose progenitor has an initial mass of about 1 msun requires an additional mixing process, which can be induced by stellar rotation and/or by the presence of the close companion. We have computed a stellar model with initial mass of 1 msun, appropriate metallicity, and initial rotation of 100 kms, and find that rotation greatly improves the agreement between the predicted and observed abundances.

연구 동기 및 목표

• 가장 산소가 부족한 것으로 알려진 항성운인 TS 01의 핵심 원소(C, N, O, Ne, S, Ar, He)의 정밀한 화학 농도를 규명하는 것.
• 표준 AGB 핵합성 모델로는 재현할 수 없는 TS 01의 극한 농도 패턴을 설명하는 데 오랫동안 해결되지 않은 과제를 해결하는 것.
• 금속 농도가 낮은 AGB 별에서의 별의 회전 또는 이중성 상호작용이 관측된 핵합성 패턴을 재현하기 위해 필요한 혼합 과정을 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 다양한 파장의 관측 제약 조건을 사용하여 이중성 중심 별의 두 성분이 이온화에 기여하는 방식을 평가하는 것.
• 초기 회전 속도가 100 km s⁻¹인 1 M⊙ 금속 농도가 낮은 AGB 모델이 관측된 이온화 영역 농도, 특히 낮은 O 및 높은 C/N 비율을 재현할 수 있는지 테스트하는 것.

제안 방법

• CFHT, 허블 우주 망원경, 스피처 우주 망원경에서 다중 파장 스펙트로스코픽 데이터를 확보하여 전체 이온화 및 이온화 영역 방출 스펙트럼을 커버하는 것.
• 기하학, 조리개 효과, 이온화 구조를 포함한 pseudo-3D 광이온화 코드 Cloudy 3D를 사용하여 이온화 영역을 모델링하는 것.
• 이중성 중심 별의 모델 대기를 사용하여 이온화 스펙트럼 에너지 분포를 유도하며, 냉각 성분과 뜨거운 성분이 모두 이온화에 기여하는 것.
• 관측된 선 비율(예: [Ne v] λ3426, [Ne iii] λ3869)과 전자 온도 진단을 통해 이온화 영역 농도를 제약 조건으로 설정하는 것.
• 다양한 초기 회전(100 km s⁻¹)과 금속 농도를 가진 AGB 진화 모델 예측과 관측된 이온화 영역 농도를 비교하는 것.
• 특히 질량 이동과 스핀업을 포함한 이중성 상호작용이 표준 비회전 모델보다 혼합 과정을 강화시키는 역할을 하는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성운 TS 01의 C, N, O, Ne, S, Ar, He의 정밀한 농도는 무엇인가?
• RQ2 왜 TS 01은 산소가 극도로 부족한가, 그리고 이는 표준 AGB 핵합성 모델과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 금속 농도가 낮은 AGB 별에서의 별의 회전이 관측된 농도 패턴, 특히 낮은 O 및 높은 C/N 비율을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ4 이중성 중심 별의 두 성분이 이온화에 어떻게 기여하는가, 그리고 이전 모델이 관측 결과를 재현하지 못한 이유는 무엇인가?
• RQ5 질량 이동과 스핀업을 통한 이중성 유도 혼합이 TS 01에서 관측된 극한의 농도 패턴을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• TS 01의 이온화 영역 산소 농도는 태양 농도의 1/70이며, 이는 지금까지 알려진 바 중 가장 산소가 부족한 항성운이다.
• 탄소, 질소, neon 농도는 각각 태양 농도의 1/3.5, 1/4.2, 1/11이며, 불확도는 ±0.3 dex이다.
• 황과 아르곤 농도는 태양 농도의 1/30 미만으로 나타나 극도의 감소를 나타낸다.
• 헬륨 농도는 12 + log(He/H) = 10.95 ± 0.04로, 저금속 농도 기원과 일치한다.
• 이온화 영역의 탄소 농도는 냉각 성분 대기보다 약 0.8 dex 높은데, 이는 추가적인 처리 또는 관측 불확도를 시사한다.
• 표준 비회전 AGB 모델은 관측된 농도 패턴을 재현하지 못하지만, 100 km s⁻¹의 초기 회전을 가진 모델은 특히 산소와 질소에 대해 상당히 개선된 일치를 보여준다.