[논문 리뷰] The evolution of planetary nebulae VII. Modelling planetary nebulae of distant stellar systems

D. Schönberner, R. Jacob외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 54인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 1차원 복사유체역학 모델을 사용하여 금속성 농도가 원거리 은하계 별 시스템에서 행 星상운성운(PN)의 팽창 및 스펙트럼적 성질에 미치는 영향을 조사한다. 연구 결과, 항성 풍압이 아닌 중심 항성의 복사장에 의한 광이온화가 PN 팽창을 이끄는 것으로 밝혀졌으며, 특히 금속성 농도가 낮은 시스템에서 더욱 두드러진다. 이는 외부 은하계 PN의 해상도가 낮은 스펙트럼에서 관측된 선 폭을 설명한다.

ABSTRACT

By means of hydrodynamical models we do the first investigations of how the properties of planetary nebulae are affected by their metal content and what can be learned from spatially unresolved spectrograms of planetary nebulae in distant stellar systems. We computed a new series of 1D radiation-hydrodynamics planetary nebulae model sequences with central stars of 0.595 M_sun surrounded by initial envelope structures that differ only by their metal content. At selected phases along the evolutionary path, the hydrodynamic terms were switched off, allowing the models to relax for fixed radial structure and radiation field into their equilibrium state with respect to energy and ionisation. The analyses of the line spectra emitted from both the dynamical and static models enabled us to systematically study the influence of hydrodynamics as a function of metallicity and evolution. We also recomputed selected sequences already used in previous publications, but now with different metal abundances. These sequences were used to study the expansion properties of planetary nebulae close to the bright cut-off of the planetary nebula luminosity function. Our simulations show that the metal content strongly influences the expansion of planetary nebulae: the lower the metal content, the weaker the pressure of the stellar wind bubble, but the faster the expansion of the outer shell because of the higher electron temperature. This is in variance with the predictions of the interacting-stellar-winds model (or its variants) according to which only the central-star wind is thought to be responsible for driving the expansion of a planetary nebula. Metal-poor objects around slowly evolving central stars become very dilute and are prone to depart from thermal equilibrium because then adiabatic expansion contributes to gas cooling. ...abridged abstract.

연구 동기 및 목표

• 원거리 별 시스템에서 행성상운성운(PN)의 팽창 및 스펙트럼적 성질에 금속성 농도가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비균형 조건에서 표준 플라즈마 진단법 및 이온화 보정 요인의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 행성상운성운의 형성과 가속도에 있어 항성 풍압이 아닌 중심 항성의 복사에 의한 이온화가 지배적인지 확인하기 위해.
• 마그ellan 구름 및 비rho 은하단의 비해상도 스펙트럼에서 관측된 선형형 폭과 모델 예측을 비교하기 위해.
• 진화 단계 전반에 걸쳐 유체역학이 중성가 온도, 이온화도 및 속도 구조를 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 고정된 중심 항성 질량(0.595 M☉)을 가진 1차원 복사유체역학 모델을 사용하여 금속성 농도가 다양하게 변하는 행성상운성운을 시뮬레이션하였다.
• 금속 농도만 다른 초기 외층 구조를 가진 모델 시퀀스를 계산한 후, 유체역학을 끄고 평형 상태에 도달하도록 하였다.
• 다이나믹 및 스태틱 모델에서 유도된 선 스펙트럼을 분석하여, 금속성 농도와 진화 단계에 따른 유체역학적 영향을 분리하였다.
• 이전 모델 시퀀스를 새로운 금속성 농도로 재계산하여 행성상운성운 광도 함수의 밝은 절단점(의미 있는 최대 밝기)을 연구하였다.
• 진화 단계와의 연관성을 위해 유효 온도(T_eff)와 중성가 흥분도(E)를 진화 지표로 사용하여 속도 진화를 진화 단계와 연관지었다.
• 체적 통합 선형형 폭에서 유도된 모델 예측 HWHM 속도를 마그ellan 구름 및 은하수 부근의 PN 관측치와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적으로 해상도가 낮은 스펙트럼에서 금속성 농도는 행성상운성운의 팽창 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 저금속성 행성상운성운에서 유체역학적 효과는 열적 및 이온화 평형에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ3 항성 풍압이 행성상운성운 팽창의 주요 원동력인가, 아니면 중심 항성의 복사장에 의한 광이온화가 더 중요한가?
• RQ4 다양한 금속성 농도와 중심 항성 질량을 가진 복사유체역학 모델로 외부 은하계 행성상운성운의 관측된 선형형 폭을 설명할 수 있는가?
• RQ5 저밀도, 고진화된 행성상운성운에서 일반적인 비균형 조건에서 이온화 보정 요인과 플라즈마 진단법의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 낮은 금속성 농도는 풍압이 약해지지만 전자 온도가 높아져서 외부 껍질의 팽창 속도가 빨라지며, 이는 상호작용하는 항성 풍압 모델과 정반대되는 결과이다.
• 진화가 느린 중심 항성이 있는 저금속성 PN은 매우 희박해지고, 뚜렷한 등온팽창 냉각으로 인해 열적 평형에서 크게 이격될 수 있다.
• 고진화된 은하수 허브의 PN에서 광열가열과 선냉각이 완전히 균형을 이루지 않아, 저금속성 환경에서 비균형 상태임을 시사한다.
• 체적 통합 선형형 폭에서 유도된 HWHM 속도는 진짜 팽창 속도를 체계적으로 과소평가한다 — 최대 [O iii] 밝기 근처에서는 약 두 배 정도 낮게 나타난다.
• 마그ellan 구름의 PN에서 관측된 HWHM 속도 진화(5–30 km s⁻¹)는 중심 항성 질량 0.6–0.7 M☉ 및 적절한 금속성 농도를 가진 모델 시퀀스와 일치한다.
• 다양한 금속성 농도와 연령에서 거의 동일한 HWHM 속도 경향이 관측됨을 고려할 때, 광이온화가 항성 풍압이 아닌 PN 팽창의 지배적이고 보편적인 원동력임을 시사한다.