[논문 리뷰] The circumstellar envelope around the S-type AGB star W Aql

S. Ramstedt, S. Mohamed외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 43인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 S형 AGB 항성 W Aquilae의 원형주변환경(CSE)을 ALMA를 이용한 고해상도 CO(J=3→2) 복사 관측을 통해 분석한다. 3차원 스무딩 입자 동역학(SPH) 이중성 상호작용 모델과 복사전달 모델링을 결합하여, 약 10′′ 간격을 가지는 주요 대규모 아치형 구조는 알려진 먼 이중성 별(180 AU)의 중력적 형성에 의해 일어나며, 항성 근처의 2–3′′ 간격 소규모 아치형 구조는 비대칭적이며 해결되지 않은 내부 구조나 일시적인 질량 손실과 관련되어 있을 가능성이 있으나, 그 기원은 아직 불확실하다.

ABSTRACT

Context. Recent observations at subarcsecond resolution, now possible also at submillimeter wavelengths, have shown intricate circumstellar structures around asymptotic giant branch (AGB) stars, mostly attributed to binary interaction. The results presented here are part of a larger project aimed at investigating the effects of a binary companion on the morphology of circumstellar envelopes (CSEs) of AGB stars. Aims. AGB stars are characterized by intense stellar winds that build CSEs around the stars. Here, the CO(J = 3 → 2) emission from the CSE of the binary S-type AGB star W Aql has been observed at subarcsecond resolution using ALMA. The aim of this paper is to investigate the wind properties of the AGB star and to analyse how the known companion has shaped the CSE. Methods. The average mass-loss rate during the creation of the detected CSE is estimated through modelling, using the ALMA brightness distribution and previously published single-dish measurements as observational constraints. The ALMA observations are presented and compared to the results from a 3D smoothed particle hydrodynamics (SPH) binary interaction model with the same properties as the W Aql system and with two different orbital eccentricities. Three-dimensional radiative transfer modelling is performed and the response of the interferometer is modelled and discussed. Results. The estimated average mass-loss rate of W Aql is Ṁ = 3.0 × 10-6M⊙ yr-1 and agrees with previous results based on single-dish CO line emission observations. The size of the emitting region is consistent with photodissociation models. The inner 10′′ of the CSE is asymmetric with arc-like structures at separations of 2−3′′ scattered across the denser sections. Further out, weaker spiral structures at greater separations are found, but this is at the limit of the sensitivity and field of view of the ALMA observations. Conclusions. The CO(J = 3 → 2) emission is dominated by a smooth component overlayed with two weak arc patterns with different separations. The larger pattern is predicted by the binary interaction model with separations of ~10′′ and therefore likely due to the known companion. It is consistent with a binary orbit with low eccentricity. The smaller separation pattern is asymmetric and coincides with the dust distribution, but the separation timescale (200 yr) is not consistent with any known process of the system. The separation of the known companions of the system is large enough to not have a very strong effect on the circumstellar morphology. The density contrast across the envelope of a binary with an even larger separation will not be easily detectable, even with ALMA, unless the orbit is strongly asymmetric or the AGB star has a much larger mass-loss rate.

연구 동기 및 목표

• 이중성 별이 S형 AGB 항성의 원형주변환경(CSE)을 어떻게 형성하는지 이해하기 위해 W Aquilae를 사례로 삼는다.
• ALMA CO(J=3→2) 데이터와 단일 안테나 제약 조건을 이용해 W Aql의 평균 질량 손실률을 결정한다.
• 관측된 CSE의 아치형 구조가 알려진 이중성 별에 의해 유도되는지 여부를 조사한다.
• ALMA 감도와 해상도를 바탕으로 이중성 유도 비대칭성이 CSE에서 어떻게 탐지 가능한지 평가한다.
• 궤도 이심률과 질량 손실의 변동성이 비대칭 CSE 특징 형성에 미치는 역할을 탐색한다.

제안 방법

• W Aql 방향으로 CO(J=3→2) 복사 방출에 대한 고해상도 ALMA 서브아크초 관측을 확보한다.
• ALMA 밝기 분포와 이전 단일 안테나 측정치를 바탕으로 1차원 복사전달 모델링을 통해 평균 질량 손실률을 제약한다.
• W Aql의 궤도 파rameters(간격 ~180 AU, 보조성별 질량 ~1.04–1.09 M⊙)를 갖는 3차원 SPH 이중성 상호작용 모델을 구축하고, 궤도 이심률 두 가지 조건(e=0.2 및 e=0.6)을 시험한다.
• SPH 시뮬레이션에 3차원 복사전달 모델링을 적용하여 관측 가능한 강도 지도를 합성하고 ALMA 데이터와 비교한다.
• 간섭계의 응답을 시뮬레이션하여 다양한 궤도 및 질량 손실 조건 하에서 CSE 내 밀도 대비의 탐지 가능성을 평가한다.
• PolCor에서 확보한 편광성 먼지 산란 빛 이미지를 사용하여 먼지 및 기체 형태의 유사성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W Aql의 평균 질량 손실률은 얼마이며, 이는 이전 단일 안테나 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 관측된 CO(J=3→2) 복사 방출의 아치형 구조는 알려진 이중성 별에 의해 유도되는가? 그리고 데이터와 일치하는 궤도 파rameters는 무엇인가?
• RQ3 왜 서로 다른 간격(2–3′′ 및 ~10′′)에서 두 개의 아치 패tern이 존재하는가? 이러한 소규모 비대칭성의 물리적 과정은 무엇일 수 있는가?
• RQ4 알려진 이중성 별의 궤도 이심률은 ALMA 관측에서 CSE 특징의 탐지 가능성과 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ALMA는 180 AU 이상의 간격에서 이중성 별에 의해 유도된 밀도 대비를 어느 정도 해상도로 또는 탐지 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• W Aql의 평균 질량 손실률은 3.0×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹로 추정되며, 이는 이전 단일 안테나 CO 라인 관측과 일치한다.
• CO(J=3→2) 복사 방출은 원형주변환경의 매끄럽고 대칭적인 구성요소에 의해 지배되며, ~10′′ 및 2–3′′ 간격에서 약한 아치형 구조가 중첩되어 있다.
• 대규모 아치 패턴(~10′′ 간격)은 낮은 이심률 궤도(e≈0.2)를 가정한 이중성 상호작용 모델과 일치하여, 이는 알려진 180 AU 거리의 이중성 별에 의해 유도된 것으로 보인다.
• 소규모 아치 패턴(2–3′′ 간격)은 비대칭적이며, 항성의 남서쪽 측면에서 이전에 맵핑된 먼지 농도 증가 영역과 공간적으로 일치하지만, 그 형성 시간 스케일(~200년)은 시스템 내에서 알려진 어떤 과정과도 일치하지 않는다.
• 알려진 이중성 별의 간격은 강한 밀도 대비를 유도하기에는 너무 멀리 떨어져 있으며, 더 큰 간격이라면 궤도가 매우 이심률이 높거나 질량 손실률이 현저히 높아지지 않는 한 ALMA로는 탐지되지 않을 것이다.
• 내부 CSE는 비대칭성과 가능한 붕괴의 징후를 보이며, 이는 더 가까운 제3의 이중성 별이 존재할 가능성을 암시할 수 있으나, 아직 추측에 머물며 더 깊은 모니터링이 필요하다.