[논문 리뷰] The wind of W Hya as seen by Herschel - I. The CO envelope

T. Khouri, A. de Koter외 26명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 허셀 및 지상 관측 데이터를 이용해 산소 빈도가 높은 AGB 별 W 히드라의 CO 풍속을 모델링하며, 복사 전달 및 분자 선 방출 코드를 결합하여 질량 손실, 속도 법칙, 동위 원소 비율을 제약한다. 연구는 느린 초기 가속도(β = 5), 12C/13C 비율 18 ± 10, 그리고 20 arcsec 이상에서의 과잉 먼지 방출을 발견하여 넓은 반경에서 추가 질량 존재를 시사한다.

ABSTRACT

Asymptotic giant branch (AGB) stars lose their envelopes by means of a stellar wind whose driving mechanism is not understood well. Characterizing the composition and thermal and dynamical structure of the outflow provides constraints that are essential for understanding AGB evolution, including the rate of mass loss and isotopic ratios. We modeled the CO emission from the wind of the low mass-loss rate oxygen-rich AGB star W Hya using data obtained by the HIFI, PACS, and SPIRE instruments onboard the Herschel Space Observatory and ground-based telescopes. $^{12}$CO and $^{13}$CO lines are used to constrain the intrinsic $^{12}$C/$^{13}$C ratio from resolved HIFI lines. The acceleration of the outflow up to about 5.5 km/s is quite slow and can be represented by a beta-type velocity law with index 5. Beyond this point, acceleration up the terminal velocity of 7 km/s is faster. Using the J=10-9, 9-8, and 6-5 transitions, we find an intrinsic $^{12}$C/$^{13}$C ratio of $18\pm10$ for W Hya, where the error bar is mostly due to uncertainties in the $^{12}$CO abundance and the stellar flux around 4.6 $μ$m. To match the low-excitation CO lines, these molecules need to be photo-dissociated at about 500 stellar radii. The radial dust emission intensity profile measured by PACS images at 70 $μ$m shows substantially stronger emission than our model predicts beyond 20 arcsec. The initial slow acceleration of the wind implies inefficient wind driving in the lower part of the envelope. The final injection of momentum in the wind might be the result of an increase in the opacity thanks to the late condensation of dust species. The derived intrinsic isotopologue ratio for W Hya is consistent with values set by the first dredge-up and suggestive of an initial mass of 2 M$_\odot$ or more. However, the uncertainty in the main-sequence mass derived based on this isotopologic ratio is large.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트럼 데이터를 이용해 W 히드라의 CO 풍속의 역학적 및 열적 구조를 규명하기.
• 해상도가 높은 HIFI 선을 모델링하여 12CO 및 13CO의 진원적 12C/13C 비율을 결정하기.
• 모델링된 먼지 연속 스펙트럼과 PACS 관측 결과를 비교하여 먼지가 풍속을 어떻게 이끄는지 평가하기.
• 20 arcsec 이상에서 모델 예측을 초월하는 과잉 먼지 방출의 기원을 조사하기.
• 환성주위 환경에서의 질량 손실률, 속도 법칙, CO 분해 반경을 제약하기.

제안 방법

• 최신 분자 선 방출 코드와 먼지 연속 복사 전달 코드를 결합하여 CO 선 프로파일과 열적 먼지 방출을 모델링하기.
• 허셀의 HIFI 기구로부터 확보한 고해상도 12CO 및 13CO 선을 이용하여, 자극 상태 및 비피크 분산를 고려해 진원적 12C/13C 비율을 유도하기.
• 풍속 가속도를 모델링하기 위해 β 유형의 속도 법칙을 적용하며, β = 5로 설정하고, 최종 속도 근처에서 더 빠른 가속도로 전이되는 것을 고려하기.
• 일정한 질량 손실률 모델(1.3 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹)과 온도의 비율 법칙 지수 0.65를 사용하여 관측된 선 프로파일에 적합시키기.
• 모델의 70 µm 먼지 방출을 PACS 이미지와 비교하여 반경 방향 강도 프로파일에서의 일치도 평가하기.
• 저-진동수 CO 선 강도의 불일치를 설명하기 위해, 끊어진 온도 법칙 및 변동하는 질량 손실률을 포함한 보조 모델 탐색하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W 히드라의 CO 풍속을 지배하는 속도 법칙은 무엇이며, 반경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 W 히드라의 진원적 12C/13C 동위원소 비율은 무엇이며, 이는 초기 질량과 진화 단계에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ3 왜 저진동수 전이에서 관측된 CO 방출 강도가 표준 모델 예측보다 낮은가?
• RQ4 PACS 70 µm 이미지에서 20 arcsec 이상에서 관측된 과잉 먼지 방출은 모델 예측을 초월하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 먼지 형성과 투과도 변화는 외부 환경에서 운동량 전달과 풍속 가속도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 풍속 가속도는 β = 5를 갖는 β 유형의 속도 법칙으로 가장 잘 기술되며, 최종 속도에 도달하기 전의 느린 초기 가속 단계를 나타낸다.
• 모델은 질량 손실률 1.3 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹을 예측하며, W 히드라의 낮은 질량 손실률과 일치한다.
• 진원적 12C/13C 비율은 18 ± 10으로 유도되었으며, 이 불확실성은 주로 12CO 농도와 4.6 µm에서의 항성 복사 강도의 불확실성에 기인한다.
• 관측된 저진동수 CO 선을 재현하기 위해 CO 분자가 약 500 개의 항성 반경에서 광분해되어야 한다.
• 모델의 반경 방향 먼지 강도 프로파일은 20 arcsec(800 R⋆)까지 PACS 70 µm 관측 결과와 일치하지만, 그 이상에서는 예측에 못 미친다.
• 20 arcsec 이상에서의 과잉 방출은 추가 물질 존재를 시사하며, 이는 과거의 강화된 질량 손실 또는 간성간성 매질과의 상호작용 때문일 수 있다.