[논문 리뷰] Analysis of chemical abundances in planetary nebulae with [WC] central stars. I. Line intensities and physical conditions

J. García–Rojas, M. Peña외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 46인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 라스 캠파ñas 관측소의 MIKE 분광계에서 확보한 깊은 데이터를 활용해, 지금까지 가장 광범위한 고해상도 스펙트로포토미터 분석을 수행한 12개의 [WC] 행 星운에 대해 수행되었다. 충돌적으로 자극된 선(CELs), 광학 재결합선(ORLs), 그리고 파스chen 연속기를 통해 안정적인 물리 조건—온도와 전자 밀도—를 확립하였으며, 이온화 영역과 고밀도 영역을 각각 위한 주요 진단 도구로 Tₑ([O iii])와 nₑ([Cl iii])를 선택하였다.

ABSTRACT

(Abridged) Planetary nebulae (PNe) around Wolf-Rayet [WR] central stars ([WR]PNe) constitute a particular photoionized nebula class that represents about 10% of the PNe with classified central stars. We analyse deep high-resolution spectrophotometric data of 12 [WR]PNe. This sample represents the most extensive analysed so far, at such high spectral resolution. We aim to select the optimal physical conditions in the PNe to be used in ionic abundance calculations that will be presented in a forthcoming paper. We acquired spectra at LCO with the 6.5-m telescope and the MIKE spectrograph, covering a wavelength range from 3350 to 9400 A. The spectra were exposed deep enough to detect, with signal-to-noise ratio higher than three, the weak ORLs of OII, CII, and other species. We detect and identify about 2980 emission lines, which, to date, is the most complete set of spectrophotometric data published for this type of objects. From our deep data, numerous diagnostic line ratios for Te and Ne are determined from CELs, ORLs, and continuum measurements. Densities are closely described by the average of all determined values for objects with ne<10^4 cm-3, and by ne([Cl III]) for the densest objects. For Te, we adopt a three-zone ionization scheme, where the low ionization zone is characterized by Te([NII]), the medium ionization zone by Te([OIII]) and the highest ionization one by Te([ArIV]) when available. We compute Te from the HI Paschen discontinuity and from HeI lines. We do not find evidences of the presence of low-temperature, high-density clumps in our [WR]PNe from the analysis of faint O II and N II plasma diagnostics. The behaviour of Te([OIII])/Te([NII]) being very low for high ionization degrees can be reproduced by a set of combined matter-bounded and radiation-bounded models, however, for the lowest temperature ratios, too high metallicity seem required.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로포토미터를 활용해 [WC] 중심 항성과 연관된 행 星운에서 가장 신뢰할 수 있는 물리 조건(Tₑ 및 nₑ)을 규명하는 것.
• 최적의 온도 및 밀도 진단 도구를 규명함으로써 이온 농도 계산의 모순을 해결하는 것.
• 온도 변동 모델의 타당성을 평가하고, 약한 ORLs를 통한 저온·고밀도 클러스터 존재 여부를 탐지하는 것.
• H i 파스chen 불연속성과 He i 선에서 유도된 Tₑ가 CEL 기반 온도와 일치하는지 평가하는 것.
• 물질 및 복사 한계 모델을 통합한 모델이 고이온화 영역에서 관측된 Tₑ 비율을 재현할 수 있는지 시험하는 것.

제안 방법

• 라스 캄파ñas 관측소의 6.5m 망원경에 장착된 MIKE 분광계를 사용해 깊이 있고 고해상도의 스펙트럼(3350–9400 Å)을 확보하였다.
• 2980개의 복사선 강도를 측정하였으며, S/N > 3인 O ii 및 C ii의 약한 광학 재결합선(ORLs)도 포함되었다.
• Tₑ는 [N ii], [O iii], [Ar iv]에서 유도된 CELs와 H i 파스chen 불연속성, He i 선에서 유도하였다.
• nₑ는 [Cl iii], [Ar iv] 및 기타 이온의 진단 선 비율을 통해 결정하였으며, 특히 가장 높은 밀도 영역에서는 [Cl iii]를 사용하였다.
• 3구역 이온화 모델을 적용: Tₑ([N ii])는 저이온화 영역, Tₑ([O iii])는 중간 이온화 영역, Tₑ([Ar iv])는 고이온화 영역에 대해 각각 적용하였다.
• c(Hβ) = 1.80 ± 0.09를 사용해 적색화를 보정하고, 표준 항성 관측을 통해 스펙트럼 강도를 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 Tₑ 및 nₑ 진단 도구가 [WC] 행 星운에서 가장 일관되고 신뢰할 수 있는 물리 조건을 제공하는가?
• RQ2 H i 파스chen 불연속성 및 He i 선에서 유도된 Tₑ 값은 충돌적으로 자극된 선에서 유도된 Tₑ 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 약한 O ii 및 N ii 재결합선 비율을 바탕으로 [WC] PNe에 저온·고밀도 클러스터 존재 여부가 확인되는가?
• RQ4 관측된 Tₑ([O iii])/Tₑ([N ii]) 비율이 물질 및 복사 한계 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ5 Tₑ(H i) 및 Tₑ(He i)의 불확실성 고려 시, 이들 행 星운에서 유도된 이온 농도에 온도 변동의 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 전자 밀도는 nₑ < 10⁴ cm⁻³인 물체에 대해 모든 nₑ 값의 평균으로 가장 잘 기술되며, 가장 높은 밀도 영역에서는 nₑ([Cl iii])를 사용한다.
• 온도의 경우, Tₑ([N ii])는 저이온화 영역을, Tₑ([O iii])는 중간 이온화 영역을, 가능할 경우 Tₑ([Ar iv])는 고이온화 영역을 각각 특징짓는다.
• 파스chen 불연속성에서 유도된 Tₑ(H i)는 일반적으로 CEL 기반 Tₑ 값과 일치하지만, 큰 불확실성을 지닌다.
• Tₑ(He i)는 CEL 기반 Tₑ보다 체계적으로 낮게 나타나, 온도 변동 이론에 잠재적인 모순이 있음을 시사한다.
• O ii 및 N ii 진단을 통한 저온·고밀도 클러스터 존재에 강력한 증거는 발견되지 않았지만, 대부분의 물체에서 불확실성이 지배적이다.
• 관측된 Tₑ([O iii])/Tₑ([N ii]) 비율은 통합된 물질 및 복사 한계 모델과 일치하지만, 가장 낮은 비율은 비정상적으로 높은 금속성 농도가 필요하다.