[논문 리뷰] The problematically short superwind of OH/IR stars - Probing the outflow with the 69 μm spectral band of forsterite

B. L. de Vries, J. A. D. L. Blommaert외 5명|Lirias (KU Leuven)|2013. 11. 27.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 47인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 14개의 OH/IR 별에서 허셀/PACS를 이용해 69 μm 결정질 올리빈 스펙트럼 특징을 관측하여 초우주풍(superwind)의 공간적 확장과 온도를 조사한다. 관측된 밴드 특성은 기하학적으로 밀도가 높은 초우주풍(R_SW ≤ 2500 AU)을 시사하며, 이는 발생 이래로 1200년 미만의 시간스케일을 의미한다. 이는 질량 손실의 진화 문제를 야기한다: 이처럼 짧고 빠른 초우주풍은 고질량 원형성 별이 AGB 단계를 빠져나오기 위해 필요한 총 질량 손실을 설명할 수 없다.

ABSTRACT

Spectra of OH/IR stars show prominent spectral bands of crystalline olivine (Mg$_{(2-2x)}$Fe$_{(2x)}$SiO$_{4}$). To learn more about the timescale of the outflows of OH/IR stars, we study the spectral band of crystalline olivine at 69 μm. The 69 μm band is of interest because its width and peak wavelength position are sensitive to the grain temperature and to the exact composition of the crystalline olivine. With Herschel/PACS, we observed the 69 μm band in the outflow of 14 OH/IR stars. By comparing the crystalline olivine features of our sample with those of model spectra, we determined the size of the outflow and its crystalline olivine abundance. The temperature indicated by the observed 69 μm bands can only be reproduced by models with a geometrically compact superwind ($R_{ m{SW}}\lesssim$ 2500 AU = 1400 R$_{*}$).This means that the superwind started less than 1200 years ago (assuming an outflow velocity of 10 km/s). The small amount of mass lost in one superwind and the high progenitor mass of the OH/IR stars introduce a mass loss and thus evolutionary problem for these objects, which has not yet been understood.

연구 동기 및 목표

• 69 μm 결정질 올리빈 특징을 이용해 OH/IR 별의 초우주풍의 공간적 확장과 역학적 시간스케일을 조사하기 위해.
• 고질량 OH/IR 별이 AGB 단계를 빠져나오기 위해 필요한 질량 손실을 달성하기 위해, 짧은 초우주풍 지속 시간 동안의 질량 손실이 부족한 진화 역학적 역설을 해결하기 위해.
• 관측된 초우주풍이 유일한 질량 손실 단계인지, 아니면 다수의 초우주풍 사건의 연속적인 일부인지 확인하기 위해.
• 69 μm 밴드가 산소 풍부 AGB 별에서 입자 온도와 기류 기하학을 진단하는 데 사용될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 이전에 방출된 초우주풍이 이 스펙트럼 특징을 통해 감지 가능한지 평가하고, 그 부재가 누락된 진화 단계를 시사하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 허셀/PACS 기구를 이용해 14개의 OH/IR 별에서 69 μm 결정질 올리빈 스펙트럼 밴드를 관측하기 위해.
• 다양한 입자 온도(50–295 K)에서 실험실에서 유도된 결정질 올리빈의 투과도와 관측된 밴드 프로파일(최대파장 및 너비)을 비교하기 위해.
• 복사전달 모델링을 이용해 관측된 밴드 형상으로부터 초우주풍 기류 반경(R_SW)과 온도를 유도하기 위해.
• 공간적 확장을 동역학적 시간스케일(t = R_SW / v)로 변환하기 위해 일정한 기류 속도 10 km/s를 가정하기 위해.
• 가스--dust 비율 100–300을 가정하여 SED 피팅에서 유도된 질량 손실률(Ṁ)을 이용해 초우주풍의 질량을 추정하기 위해.
• 은하수의 파arms(광도, 주기, 동위원소 비율)를 이용해 높은 초기 질량(≥5 M⊙)과 핫-바텀 버닝을 추론하여, 다수의 초우주풍 단계가 필요하다는 것을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 69 μm 결정질 올리빈 특징에 의해 제약을 받는 OH/IR 별의 초우주풍의 공간적 확장은 무엇인가요?
• RQ2 기대되는 기류 속도를 가정할 때, 관측된 기류 반경으로부터 초우주풍 단계가 언제 시작되었는가요?
• RQ3 고질량 OH/IR 별이 AGB 단계를 빠져나오기 위해 몇 개의 태양질량을 손실해야 하는데도, 초우주풍 단계당 약 0.2 M⊙만 손실하는 이유는 무엇인가요?
• RQ4 이전에 방출된 초우주풍 단계는 69 μm 밴드에서 감지 가능한가요, 아니면 이 특징은 오직 최근 기류에만 민감한가요?
• RQ5 허셀 관측에서 확장된 껍질이 보이지 않는 것은 초우주풍 이후에 나타나는 초고속 질량 손실 단계가 누락되어 있음을 시사하는가요?

주요 결과

• 69 μm 밴드 너비와 최대파장은 초우주풍 반경 R_SW ≤ 2500 AU를 나타내며, 이는 10 km/s 기류 속도를 가정할 경우 1200년 미만의 동역학적 시간스케일에 해당한다.
• 관측된 밴드 특성은 50 K에서 295 K 사이의 입자 온도를 가진 모델에 의해 가장 잘 재현되며, 이는 밀도가 높고 최근에 방출된 기류와 일치한다.
• 가스-먼지 비율 100을 가정할 경우 초우주풍의 총 질량은 약 0.2 M⊙로 추정되며, 이는 고질량 원형성 별이 AGB 단계를 빠져나오기 위해 필요한 질량 손실을 설명하기에는 부족하다.
• 허셀 관측에서 확장된 껍질이 보이지 않는 것은 이전의 초우주풍 단계가 69 μm 밴드로 감지되지 않는다는 것을 시사하며, 이는 이 특징이 오직 최근 기류에만 민감하다는 것을 의미한다.
• 고질량 OH/IR 별(≥5 M⊙)의 경우 진화 문제는 더욱 악화되며, 다수의 초우주풍 단계가 필요하지만 확장된 껍질의 증거가 없어, 누락된 진화 단계가 존재할 가능성이 있다.
• 저자들은 이러한 별들이 이전에 인식되지 않은 초고속 질량 손실 단계(예: IRAS 16342–3814와 유사)로 진화하여 AGB 진화를 완료할 수 있다고 가설을 제기한다.