[논문 리뷰] The evolution of planetary nebulae. VIII. True expansion rates and visibility times

R. Jacob, D. Schoênberner외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 37인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 별성운행성역학 모델링을 사용하여 행 星운의 스펙트로스코픽 팽창 속도를 보정함으로써 진정한 평균 팽창 속도 42 km s⁻¹를 밝혀내었으며, 이는 일반적으로 사용되는 값의 거의 두 배이다. 이는 0.9 pc에 도달하는 데 약 21,000 ± 5,000년이 소요됨을 의미하며, 이는 행성운의 인구 추정 및 별집단 합성 모델에서의 탄생/죽음 비율 계산에 중대한 영향을 미친다.

ABSTRACT

The visibility time of planetary nebulae (PNe) in stellar systems is an essential quantity for estimating the size of a PN population in the context of general population studies. For instance, it enters directly into the PN death rate determination. The basic ingredient for determining visibility times is the typical nebular expansion velocity, as a suited average over all PN sizes of a PN population within a certain volume or stellar system. The true expansion speed of the outer nebular edge of a PN is, however, not accessible by spectroscopy -- a difficulty that we surmount by radiation-hydrodynamics modelling. We find a mean true expansion velocity of 42 km/s, i.e. nearly twice as high as the commonly adopted value to date. Accordingly, the time for a PN to expand to a radius of, say 0.9 pc, is only 21000 +/- 5000 years. This visibility time of a PN holds for all central star masses since a nebula does not become extinct as the central star fades. There is, however, a dependence on metallicity in the sense that the visibility time becomes shorter for lower nebular metal content. With the higher expansion rate of PNe derived here we determined their local death-rate density as (1.4 +/- 0.5) x E-12 PN pc^{-3} yr^{-1}, using the local PN density advocated by Frew (2008).

연구 동기 및 목표

• 행성운(PN)의 가시 시간에 대한 오랫동안 지속된 불확실성을 해결하고, 이는 PN 인구 크기 및 탄생/죽음 비율 추정의 핵심 매개변수이다.
• 스펙트로스코픽 측정이 행성운의 외부 충격파 전면에서 진정한 팽창 속도를 반영하지 못하는 기본적인 한계를 해결한다.
• 물리적으로 일관된 복사-유체역학 모델을 사용해 관측된 스펙트로스코픽 속도를 보정하여, 안개 껍질의 진정한 팽창 속도를 유도한다.
• 기존의 별집단 합성 모델에서의 지역적 PN 죽음 비율 밀도를 재평가하고, 백색왜성 탄생률과 비교하여 일관성을 평가한다.

제안 방법

• AGB 단계에서 PN 단계에 이르기까지 이온화 구류와 바람 상호작용을 포함한 전체 진화를 모델링하기 위해 복사-유체역학 시뮬레이션을 활용하였다.
• Frew(2008)의 경험적 캘리브레이션과 일치시키기 위해 모델 예측 Hα 표면 빛의 세기-반경 관계를 校정하였으며, 뛰어난 일치를 보였다.
• 형상이 명확한 289개의 근접한 원형/타원형 행성운(2 kpc 이내)을 샘플로 사용하여 스펙트로스코픽 팽창 속도를 분석하였다.
• 관측된 스펙트로스코픽 선폭과 행성운 외곽의 진정한 충격파 전면 팽창 속도 사이의 보정 인자를 모델을 통해 도출하였다.
• 보정된 진정한 팽창 속도로 일반적인 안개 껍질 반경(0.9 pc)을 나누어 가시 시간을 유도하였다.
• Frew(2008)의 지역적 PN 밀도와 보정된 가시 시간을 사용하여 지역적 PN 죽음 비율 밀도를 (1.4 ± 0.5) × 10⁻¹² pc⁻³ yr⁻¹로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행성운의 외부 충격파 전면의 진정한 팽창 속도는 얼마이며, 이는 스펙트로스코픽 측정값과 어떻게 다를까?
• RQ2 보정된 팽창 속도는 은하계 내 행성운의 추정 가시 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최종적으로 도출된 지역적 죽음 비율 밀도는 얼마이며, 관측된 백색왜성 탄생률과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 거리 척도, 척도 높이, 조사 완전성의 불확실성은 PN 죽음 비율과 백색왜성 탄생률 간의 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 중성도가 행성운의 가시 시간에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 행성운의 진정한 평균 팽창 속도는 42 km s⁻¹이며, 이는 이전 문헌에서 일반적으로 가정된 값의 약 두 배이다.
• 행성운이 반경 0.9 pc로 팽창하는 데 소요되는 가시 시간은 21,000 ± 5,000년으로, 이는 이전 추정보다 상당히 짧다.
• 이 가시 시간은 중심 항성 질량과 무관하다. 왜냐하면 안개 껍질이 중심 항성이 흐려지는 동안에도 계속 가시하기 때문이다. 다만, 안개의 중성도에 따라 달라진다.
• 낮은 중성도는 선 방출 감소와 이온화 전면의 빠른 전파로 인해 더 짧은 가시 시간을 초래한다.
• 보정된 지역적 PN 죽음 비율 밀도는 Frew(2008)의 지역적 PN 밀도와 보정된 가시 시간을 기반으로 (1.4 ± 0.5) × 10⁻¹² pc⁻³ yr⁻¹로 도출되었다.
• 체계적 불확실성에도 불구하고 유도된 PN 죽음 비율과 백색왜성 탄생률 간의 높은 일치는 현재의 별집단 합성 모델에서의 일관성을 시사하지만, 척도 높이와 거리 캘리브레이션은 여전히 핵심적인 불확실성 요소이다.