[论文解读] A dam around the Water Fountain Nebula? The dust shell of IRAS16342-3814 spatially resolved with VISIR/VLT

Tijl Verhoelst, L. B. F. M. Waters+5 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 4, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 18被引用 11

一句话总结

使用甚大望远镜上的VISIR仪器进行高分辨率中红外成像与光谱观测，本研究发现水喷泉星云（IRAS16342-3814）的尘埃腰部在长达13 μm的波长范围内仍保持黑暗，与早期关于其呈椭圆亮度分布的结论相矛盾。数据表明遮挡尘埃结构的填充角约为~145°，表明存在近乎球对称的超星风，排除了致密稳定尘埃盘作为主要形态塑造机制的可能性，转而支持在预先存在的球对称星风中由喷流驱动形成的空腔结构。

ABSTRACT

Either by collimating a fast stellar wind or by driving a jet via accretion in the central system, dusty torii or stable disks may be crucial ingredients for the shaping of PNe. We study the dust distribution in the very young Proto-Planetary Nebule (PPN) IRAS16342-3814, also known as the Water Fountain Nebula, which is known to show strong bipolar characteristics in the shape of two reflection lobes, and high-velocity collimated molecular outlfows. We use the new Mid-IR (MIR) instrument VISIR on the Very Large Telescope (VLT) both in imaging and spectroscopy mode at wavelengths from 8 to 13 micron. We present the first spatially resolved MIR observations of a dusty evolved star obtained with VISIR and find that the improved spatial resolution contradicts previous claims of an elliptical brightness distribution at the heart of IRAS16342: we find the waist region to be dark even in the MIR. We show that the filling angle of the obscuring dust lane, which is made mostly of amorphous silicates, is very large, possibly even close to a spherically symmetric superwind as seen in OH/IR stars. We conclude that, in contrast to the multitude of recent dusty-disk detections in Post-AGB stars and PNe, IRAS16342 does not show this extreme equatorial density enhancement, at least not on the scale of the dusty environment which lends the object its IR appearance. Rather, it appears that the observed precessing jets are shaping the bipolar nature in the remains of a spherically symmetric AGB superwind.

研究动机与目标

• 利用高空间分辨率中红外成像，解析年轻原行星状星云IRAS16342-3814的尘埃形态。
• 检验先前光学与红外观测所提出的假设，即暗淡的赤道腰带是致密且稳定的尘埃盘或环状结构。
• 确定所观测到的双极形态是由盘面导致的准直作用，还是由预先存在的球对称星风中的喷流驱动空腔形成所致。
• 利用空间分辨的流量与光谱数据，约束遮挡尘埃结构的几何形态与光学深度。

提出的方法

• 使用甚大望远镜上的VISIR仪器，在8至13 μm波段进行空间分辨的中红外成像，采用中心波长为11.85 μm的SiC滤光片，像素尺度为0.127 arcsec。
• 利用32×0.75 arcsec狭缝、方位角为北偏东55.4°的方向，获取四个N波段滤光片（8.5、9.8、11.4、12.2 μm）的低分辨率光谱。
• 使用ESO软件包（v1.3.7）进行数据还原，并采用MARCS大气模型对校准恒星HD 146051进行大气修正。
• 构建一个简化模型以估算遮挡尘埃结构的填充角，假设密度分布为r⁻²，并沿视线方向计算光学深度：τ(y,λ) = (ρ₀κ(λ)/y²)(θ/2 ± i)，其中θ为填充角。
• 通过匹配观测到的SED、两极瓣之间的流量比以及西瓣光谱中硅酸盐吸收深度，约束模型参数（填充角、尘埃质量分数、颗粒大小分布、质量损失率）。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRAS16342-3814的中心尘埃结构是致密的赤道尘埃盘，还是更延展且对称的结构？
• RQ2 所观测到的中红外亮度分布是否支持由盘面导致的准直机制，或支持喷流驱动空腔形成的模型？
• RQ3 遮挡尘埃结构的真实填充角是多少？与其它后AGB星中已知的盘状几何形态相比如何？
• RQ4 观测到的硅酸盐吸收与流量比能否由具有双极空腔的球对称超星风模型重现？

主要发现

• 在高分辨率下，IRAS16342-3814的尘埃结构并非椭圆，而是表现出中红外波段下仍为黑暗的赤道腰带，与早期关于椭圆亮度分布的结论相矛盾。
• 遮挡尘埃结构的填充角被约束在至少110°，最佳拟合模型要求填充角为145°，表明其分布近乎球对称。
• 尘埃质量分数的最佳拟合结果为硅酸盐与铁的比值为5.5，粒径0.1 μm至5.0 μm的比值为1.5，与非晶态硅酸盐和金属铁一致。
• 质量损失率估计约为~1×10⁻³ M⊙ yr⁻¹，模型预测在长达30 μm的波长范围内，中心恒星方向的光学深度≥100，与观测SED一致。
• 观测到的流量几乎完全来自两个双极瓣，其温度约为160 K，西瓣由于视线方向上的尘埃导致中等消光（τ₁₀μm ≈ 0.5）。