[论文解读] Detached Shell Carbon Stars: Tracing Thermal Pulses on the Asymptotic Giant Branch

Joel H. Kastner, Emily Wilson|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 53被引用 7

一句话总结

本研究通过将现今日面亮度与星周壳层的动力学年龄相关联，证明了分离壳层碳星可追踪渐近巨星支（AGB）热脉动（TPs）的光度演化。利用盖亚 EDR3 轨道视差和档案红外测光数据，作者发现，在喷射后约10,000年内，光度下降过程与TP模型光变曲线高度吻合，表明其前身星质量约为2.5–4.0 M⊙，其中最年轻的壳层（1,000–3,000 yr）比中等年龄壳层更明亮。

ABSTRACT

We consider whether the subset of carbon-rich asymptotic giant branch (AGB) stars that exhibit detached, expanding circumstellar shells may reveal the past histories of these stars as having undergone helium shell flashes (thermal pulses) on the AGB. We exploit newly available Gaia parallaxes and photometry, along with archival infrared photometry, to obtain refined estimates of the luminosities of all (12) known detached shell carbon stars. We examine the relationship between these luminosities and the estimated dynamical ages (ejection times) of the detached shells associated with the 12 stars, which range from $\sim$1000 to $\sim$30000 yr. When arranged according to detached shell dynamical age, the (implied) luminosity evolution of the known detached shell carbon stars closely follows the predicted "light curves" of individual thermal pulses obtained from models of AGB stars. The comparison between data and models suggests that detached shell carbon stars are descended from $\sim$2.5-4.0 $M_\odot$ progenitors. We conclude that detached shell carbon stars may serve as effective tracers of the luminosity evolution of AGB thermal pulses.

研究动机与目标

• 确定分离壳层碳星是否可作为AGB热脉动（TP）光度演化的观测示踪器。
• 利用盖亚EDR3视差和档案红外测光，对全部12颗已知的分离壳层碳星进行更精确的光度估计。
• 通过将观测到的光度与壳层动力学年龄的关系与理论TP光变曲线对比，检验壳层喷射是否由TP引起的光度脉动触发的假设。
• 基于光度-年龄趋势，约束分离壳层碳星前身星的初始质量范围。

提出的方法

• 获取了12颗已知分离壳层碳星的盖亚EDR3视差和测光数据，通过天体测量多余误差对系统误差进行修正。
• 将盖亚数据与来自2MASS、WISE、IRAS、AKARI和DIRBE的档案红外测光数据结合，推导出总辐射光度。
• 利用观测到的膨胀速度（来自CO谱线轮廓）和壳层半径，计算分离壳层的动力学年龄。
• 通过按壳层动力学年龄排序恒星并将其与2.0–3.6 M⊙前身星质量的AGB模型理论TP光变曲线对比，构建光度演化序列。
• 采用Bailer-Jones等人（2021年）的距离估计以提高光度精度，尤其针对视差不确定的恒星。
• 评估观测到的光度-年龄趋势与TP模型预测的一致性，重点关注光度峰值的出现时间和幅度。

实验结果

研究问题

• RQ1 分离壳层碳星的光度是否以与AGB热脉动理论光变曲线相匹配的方式演化？
• RQ2 基于其观测到的光度和壳层动力学年龄，分离壳层碳星的前身星质量范围是多少？
• RQ3 观测到的壳层喷射后约10,000年内光度下降过程与理论TP模型预测相比如何？
• RQ4 尽管氧富集AGB星更常见，为何分离壳层更常出现在碳富集AGB星中？
• RQ5 双星相互作用或与星际介质（ISM）的相互作用在多大程度上影响这些系统的观测光度-年龄关系？

主要发现

• 分离壳层碳星在壳层喷射后约10,000年内光度逐渐下降，其中年轻壳层（1,000–3,000 yr）的光度 >10,000 L⊙，而中等年龄壳层（8,000–12,000 yr）的光度约为数千倍L⊙。
• 观测到的光度演化与2.0–3.6 M⊙前身星质量的AGB模型理论TP光变曲线高度一致，尤其在RT Cap和U Ant两颗星中表现明显。
• 绝大多数分离壳层碳星的前身星质量范围被约束在~2.5–4.0 M⊙之间，比一般碳星前身星质量范围（~1.6–4.5 M⊙）更窄。
• 拥有最老壳层（~20,000–30,000 yr）的恒星光度与年轻壳层恒星相近，表明其光度正缓慢恢复至热脉动前的水平。
• S Sct的光度差异（其壳层暗示脉动间隔较短，约8,000 yr）可能源于ISM相互作用或观测不确定性，如先前研究所述。
• 仅有R Scl表现出双星影响壳层结构的明确证据，表明大多数分离壳层碳星源于孤立的单星AGB演化。