[논문 리뷰] The extended molecular envelope of the asymptotic giant branch star $π^{1}$ Gruis as seen by ALMA I. Large-scale kinematic structure and CO excitation properties

Lam Doan, S. Ramstedt외 9명|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2017. 09. 27.

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한 줄 요약

이 연구는 S형 AGB 별 π¹ Gruis의 원성우 환경(CSE)의 3차원 운동학적 구조를 모델링하기 위해 ALMA 및 다중 파장 관측을 사용하며, 토러스-이중극형 분출 시스템을 규명한다. 최적의 피팅 모델은 팽창하는 토러스, 중심 분출, 빠른 이중극형 분출의 세 성분을 식별하여 질량 손실률을 7.7 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹로 산정하고, 분출에서 약 20배의 동역학적 과잉 운동량이 관측되어 비복사 가속 메커니즘의 존재를 확인한다.

ABSTRACT

The S-type asymptotic giant branch (AGB) star $π^{1}$ Gruis has a known companion at a separation of $\approx$400 AU. The envelope structure, including an equatorial torus and a fast bipolar outflow, is rarely seen in the AGB phase and is particularly unexpected in such a wide binary system. Therefore a second, closer companion has been suggested, but the evidence is not conclusive. The new ALMA $^{12}$CO and $^{13}$CO $J$=3-2 data, together with previously published $^{12}$CO $J$=2-1 data from the Submillimeter Array (SMA), and the $^{12}$CO $J$=5-4 and $J$=9-8 lines observed with Herschel/Heterodyne Instrument for the Far-Infrared (HIFI), is modeled with the 3D non-LTE radiative transfer code SHAPEMOL. The data analysis clearly confirms the torus-bipolar structure. The 3D model of the CSE that satisfactorily reproduces the data consists of three kinematic components: a radially expanding torus with velocity slowly increasing from 8 to 13 km s$^{-1}$ along the equator plane; a radially expanding component at the center with a constant velocity of 14 km s$^{-1}$; and a fast, bipolar outflow with velocity proportionally increasing from 14 km s$^{-1}$ at the base up to 100 km s$^{-1}$ at the tip, following a linear radial dependence. The results are used to estimate an average mass-loss rate during the creation of the torus of 7.7$ imes$10$^{-7}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$. The total mass and linear momentum of the fast outflow are estimated at 7.3$ imes$10$^{-4}$ M$_{\odot}$ and 9.6$ imes$10$^{37}$ g cm s$^{-1}$, respectively. The momentum of the outflow is in excess (by a factor of about 20) of what could be generated by radiation pressure alone, in agreement with recent findings for more evolved sources. The best-fit model also suggests a $^{12}$CO/$^{13}$CO abundance ratio of 50. Possible shaping scenarios for the gas envelope are discussed

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ALMA 데이터를 활용하여 π¹ Gruis의 원성우 환경(CSE)의 3차원 운동학적 구조를 재구성하는 것.
• 복사전달 모델링을 통해 CSE 내 밀도 및 온도 분포를 제약하는 것.
• 이중성 상호작용의 맥락에서 비구형 형태, 특히 적도면 토러스와 빠른 이중극형 분출의 기원을 조사하는 것.
• 토러스 형성 기간 동안의 질량 손실률과 빠른 분출의 운동량을 추정하여 추진 메커니즘을 평가하는 것.
• 12CO/13CO 농도 비율을 결정하고 비대칭 CSE의 형태 형성 시나리오를 평가하는 것.

제안 방법

• 고감도, 고해상도의 ALMA-ACA 12CO J=3-2 및 13CO J=3-2 선원 방출 데이터 확보.
• 다중선 제약 조건을 확보하기 위해 이전에 발표된 SMA 12CO J=2-1 및 Herschel/HIFI 12CO J=5-4 및 J=9-8 데이터와 ALMA 데이터를 융합.
• 비구형이며 운동학적으로 구별되는 성분을 갖는 CSE를 모델링하기 위해 3D 비- LTE 복사전달 코드 SHAPEMOL을 활용.
• 관측된 선형 프로파일, 채널 맵, 위치-속도도를 기반으로 모델을 피팅하여 물리적 매개변수 유도.
• 분출의 운동량 과잉을 복사압에 비해 평가하여 가속 메커니즘을 추론.
• 관측된 선 강도에 대한 모델 피팅을 통해 12CO/13CO 농도 비율을 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 π¹ Gruis의 원성우 환경(CSE)의 3차원 운동학적 구조는 무엇이며, 각 성분(토러스, 중심 분출, 이중극형 분출)은 속도 및 공간 분포에서 어떻게 다를까?
• RQ2 적도면 토러스 형성 기간 동안의 질량 손실률은 얼마이며, 현재의 질량 손실률과 비교해보면 어떻게 될까?
• RQ3 빠른 이중극형 분출의 운동량은 얼마이며, 복사압만으로 설명 가능한가?
• RQ4 CSE 내 12CO/13CO 농도 비율은 얼마이며, 이는 화학 조성과 모델링 가정에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 토러스와 이중극형 분출을 형성하는 데 가장 가능성 있는 물리적 메커니즘(예: 이중성 상호작용, 자기장)은 무엇인가?

주요 결과

• 3차원 복사전달 모델은 관측된 선형 프로파일, 채널 맵 및 위치-속도도를 성공적으로 재현하여 복잡하고 비구형인 CSE 구조를 확인한다.
• CSE는 세 운동학적 성분으로 가장 잘 설명되며, 각각은 적도면에서 속도가 8에서 13 km s⁻¹로 증가하는 반사형 팽창 토러스, 중심 성분의 14 km s⁻¹ 팽창, 기저에서 14 km s⁻¹에서 끝부분에서 100 km s⁻¹로 선형적으로 증가하는 빠른 이중극형 분출로 구성된다.
• 토러스 형성 기간 동안의 질량 손실률은 7.7 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹로 추정되며, AGB 바람 진화와 일치한다.
• 빠른 이중극형 분출의 총 질량은 7.3 × 10⁻⁴ M☉이며, 선형 운동량은 9.6 × 10³⁷ g cm s⁻¹로, 복사압에 비해 약 20배 과잉이다.
• 운동량 과잉은 복사압만으로는 분출을 추진할 수 없음을 강력히 시사하며, 자기장 또는 이중성 상호작용과 같은 추가 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 최적 피팅 모델은 12CO/13CO 농도 비율을 50으로 도출하였으며, 이는 AGB 환경에서 일반적인 값과 일치하여 모델의 물리적 타당성을 뒷받침한다.