[논문 리뷰] The mass-loss return from evolved stars to the Large Magellanic Cloud V. The GRAMS carbon-star model grid

S. Srinivasan, B. A. Sargent외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 66인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 대마젤란은하의 탄소-rich AGB 별을 위한 복사역학 모델 격자인 GRAMS 탄소별 모델 격자를 제시한다. 2D ust 코드를 사용하여 다양한 발광도, 질량 손실률 및 먼지 성질을 가진 먼지 껍질을 시뮬레이션한다. 이 모델들은 관측된 SED, 광도 및 분광학적 데이터(SAGE 및 SAGE-Spec에서 확보)를 성공적으로 재현하며, 일관된 물리적 가정 하에 대규모 항성 샘플의 발광도와 질량 손실률을 정확하게 유도할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

The total dust return rate from AGB and RSG star outflows is an important constraint to galactic chemical evolution models. However, this requires detailed radiative transfer (RT) modeling of individual stars, which becomes impractical for large data sets. Another approach is to select the best-fit spectral energy distribution (SED) from a grid of dust shell models, allowing for a faster determination of the luminosities and mass-loss rates for entire samples. We have developed the Grid of RSG and AGB ModelS (GRAMS) to measure the mass-loss return from evolved stars. The models span the range of stellar, dust shell and grain properties relevant to evolved stars. In this paper we present the carbon-star grid and compare our results with data of Large Magellanic Cloud (LMC) carbon stars from the SAGE and SAGE-Spec programs. We generate spherically symmetric dust shell models using the 2Dust code, with hydrostatic models for the central stars. We explore five values of the inner radius R_in of the dust shell (1.5, 3, 4.5, 7 and 12 R_star). We use amorphous carbon dust mixed with 10% silicon carbide by mass. The grain sizes follows a KMH distribution. The models span 26 values of 11.3 um optical depth, ranging from 0.001 to 4. For each model, 2Dust calculates the output SED from 0.2 to 200 um. Over 12,000 models have dust temperatures below 1800 K. The GRAMS synthetic photometry is in good agreement with SAGE photometry for LMC carbon-rich and extreme AGB star candidates, as well as spectroscopically confirmed carbon stars from the SAGE-Spec study. Our models reproduce the IRAC colors of most of the extreme AGB star candidates, consistent with the expectation that a majority of these enshrouded stars have carbon-rich dust. Finally, we fit the SEDs of some well-studied carbon stars and compare the resulting luminosities and mass-loss rates with those from previous studies.

연구 동기 및 목표

• 광학적 데이터로부터 진화한 항성의 질량 손실률과 발광도를 추정하기 위한 빠르고 물리적으로 일관된 방법을 개발하기 위해.
• 현실적인 먼지 껍질 성질을 가진 탄소-rich AGB 별을 위한 복사역학 모델 격자를 구축하기 위해.
• SAGE 및 SAGE-Spec 조사에서 확보한 관측된 SED 및 광도와의 비교를 통해 모델 격자를 검증하기 위해.
• LMC와 같은 은하에서 진화한 항성의 질량 손실 환원을 대규모 분석에 활용하기 위해.
• 과학 공동체가 광학적 카탈로그에 적용할 수 있도록 공개 가능한 모델 데이터베이스를 제공하기 위해.

제안 방법

• 2D ust 복사역학 코드를 사용하여 AGB 별 주위의 구형 먼지 껍질의 SED를 계산한다.
• 은별 대기면은 효과 온도 2600 K에서 4000 K까지, 발광도는 2000에서 40000 L⊙까지 다양하다.
• 먼지 껍질의 외부 반경은 내부 반경의 1000배로 고정되어 있으며, 내부 반경은 1.5–12 R⋆ 범위에서 5개의 값으로 설정되고, 일정한 팽창 속도를 가진다.
• 아모르포스 탄소 먼지에 질량으로 10%의 SiC가 혼합된 것으로 가정하며, 거칠기 분포는 거듭제곱 법칙을 따르고 큰 크기에서 지수 감소가 발생한다.
• 11.3 μm에서의 광학적 두께는 0.001에서 4 사이의 26개의 값으로 다양하게 설정되어 넓은 범위의 먼지 열두께를 커버한다.
• SAGE 및 SAGE-Spec 데이터와 직접 비교할 수 있도록, 가시광선, 근적외선, 중적외선 필터 범위에서 합성 광도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소-rich AGB 별의 관측된 SED를 정확하게 재현할 수 있는 복사역학 모델 격자가 가능한가?
• RQ2 GRAMS 모델 예측은 SAGE 및 SAGE-Spec 조사에서 확보한 광도 및 분광학적 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 광학적 데이터만으로 모델 격자가 신뢰할 수 있는 발광도와 질량 손실률을 얼마나 정확히 복원할 수 있는가?
• RQ4 GRAMS 격자에서 유도된 질량 손실률은 특정 항성에 대한 세부적인 개별 모델링 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 극도로 높은 발광도 영역에서 모델 격자는 탄소-rich와 산소-rich AGB 별을 구분하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• GRAMS 모델 격자는 LMC의 극한 AGB 별 후보자의 관측된 IRAC 색상들을 잘 재현하며, 대부분이 탄소-rich임을 지지하는 결론을 뒷받침한다.
• OGLE LMC LPV 28579의 경우, 최적의 맞춤 GRAMS 모델은 발광도 6170 L⊙, τ₁₁.₃ = 0.3, 먼지 질량 손실률 2.4×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹을 도출하였으며, 이는 Paper III에서의 세부 모델링 결과와 뛰어난 일치를 보인다.
• GRAMS 피팅을 통해 유도된 발광도는 세부 SED 모델링 결과와 일치하며, 잘 연구된 항성의 경우 오차가 몇 퍼센트 이내이다.
• van Loon et al. 샘플의 경우 GRAMS 격자에서 유도된 질량 손실률은 원래 값과 잘 일치하지만, Groenewegen et al. 샘플의 경우 가정된 먼지 성질의 차이로 인해 2–4배 정도 낮은 값이 유도된다.
• 12,000개 이상의 모델이 먼지 온도 1800 K 이하를 커버하며, 먼지 질량 손실률은 10⁻¹²에서 10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹, 광학적 두께는 0.001에서 4까지 다양하다.
• 모든 GRAMS 모델 격자(합성 스펙트럼 및 광도 포함)는 STScI의 2D ust 웹사이트를 통해 공개되어 있으며, 진화한 항성에 대한 대규모 연구에 활용 가능하다.