[논문 리뷰] MgS in detached shells around carbon stars. Mining the mass-loss history

S. Hony, J. Bouwman|ArXiv.org|2003. 09. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 29인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 탄소별 주변 이격된 먼지 셸에서 MgS 먼지의 복사역학적 모델링을 통해 ISO/SWS 스펙트럼에서 관측된 냉각된 MgS 발광 특징이 이러한 셸 내 MgS 입자에 의해 설명됨을 보여준다. 모델은 MgS가 셸 반경에 위치해 있음을 확인하여, 셸이 탄소 빈도가 높은 진화 단계 동안 형성되었음을 증명하며, MgS 특징의 프로파일을 통해 입자 온도를 이용한 셸 거리 추정이 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the dust composition of detached shells around carbon stars, with a focus to understand the origin of the cool magnesium-sulfide (MgS) material around warm carbon stars, which has been detected around several of these objects. We build a radiative transfer model of a carbon star surrounded by an expanding detached shell of dust. The shell contains amorphous carbon grains and MgS grains. We find that a small fraction of MgS dust (2% of the dust mass) can give a significant contribution to the IRAS 25 micron flux. However, the presence of MgS in the detached shell cannot be inferred from the IRAS broadband photometry alone but requires infrared spectroscopy. We apply the model to the detached-shell sources R Scl and U Cam, both exhibiting a cool MgS feature in their ISO/SWS spectra. We use the shell parameters derived for the molecular shell, using the CO submillimetre maps. The models, with MgS grains located in the detached shell, explain the MgS grain temperature, as derived from their ISO spectra, very well. This demonstrates that the MgS grains are located at the distance of the detached shell, which is a direct indication that these shells originate from a time when the stellar photosphere was already carbon-rich. In the case of R Scl, the IRAS photometry is simultaneously explained by the single shell model. In the case of U Cam, the IRAS photometry is under predicted, pointing to a contribution from cooler dust located even further away from the star than the molecular shell. We present a simple diagnostic to constrain the distance of the shell using the profile of the MgS emission feature. The emission feature shifts to longer wavelength with decreasing grain temperature. One can therefore infer a temperature and a corresponding distance to the star from the observed profile. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 이격된 셸 주변 탄소별에서 냉각된 MgS 먼지의 기원과 위치를 조사한다.
• MgS 입자가 분자 셸과 함께 공존하는지 여부를 확인하여, 셸 방출 시 별의 화학적 상태를 추론한다.
• MgS 발광 특징의 프로파일을 활용해 셸 거리를 입자 온도를 기반으로 추정하는 진단 도구를 개발한다.
• IRAS 밴드폭 광도 측정이 MgS를 탐지하는 데 한계가 있음을 평가하고, 적외선 스펙트로스코피의 필요성을 규명한다.
• 고품질의 ISO/SWS 데이터와 해상도가 높은 분자 셸을 가진 특정 별들(R Scl 및 U Cam)에 모델을 적용한다.

제안 방법

• 탄소별에 이격된 먼지 셸을 포함하는 복사역학적 모델을 구축하며, 비정질 탄소와 MgS 입자를 포함한다.
• Lindqvist 등(1999), Schöier & Olofsson(2001)의 CO 밀리미터파 맵에서 유도된 셸 파arameter를 모델의 입력 자료로 사용한다.
• R Scl 및 U Cam의 관측된 ISO/SWS 스펙트럼과 IRAS 광도 측정값을 모델의 합성 스펙트럼과 비교한다.
• MgS 발광 특징의 프로파일이 온도에 따라 어떻게 변화하는지 적용하여 입자 온도를 추정하고, 이를 통해 셸 거리를 산정한다.
• 볼로메트릭 등급과 각지름을 사용해, MgS 특징이 약한 추가 별들에 대한 셸 반경을 추정한다.
• MgS 질량 분율과 셸 반경을 변화시킨 모델의 격자 분석을 통해 스펙트럼 특징이 먼지 조성과 기하학적 구조에 얼마나 민감한지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소별의 이격 셸을 가진 별들에서 MgS 입자는 분자 셸과 같은 거리에 위치하는가?
• RQ2 MgS 발광 특징의 프로파일을 통해 먼지 셸의 온도와 거리를 추정할 수 있는가?
• RQ3 이격 셸 내 MgS의 존재는 별이 셸 방출 시 탄소 빈도가 높았음을 의미하는가?
• RQ4 왜 별이 광학적으로 밝고 뜨겁음에도 불구하고 MgS 특징은 냉각된 것으로 관측되는가?
• RQ5 IRAS 밴드폭 광도 측정이 MgS를 어느 정도 탐지할 수 있으며, 스펙트로스코피가 필수적인가?

주요 결과

• MgS 먼지의 소량(먼지 질량의 2%)이 IRAS 25 μm 복사에 상당한 기여를 할 수 있지만, 밴드폭 광도 측정만으로는 그 존재를 확인할 수 없다.
• R Scl 및 U Cam의 MgS 발광 특징은 이격된 분자 셸과 같은 거리에 위치한 MgS 입자에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 둘이 공간적으로 일치함을 확인한다.
• R Scl의 셸은 IRAS 광도와 ISO/SWS 스펙트럼을 동시에 잘 맞추는 단일 셸 모델과 일치한다.
• U Cam의 셸은 IRAS 광도 측정값이 과소평가됨을 보여주며, 분자 셸 외부에 추가로 더 냉각된 먼지가 존재함을 시사한다.
• MgS 특징의 프로파일은 입자 온도가 낮아질수록 파장이 길어지며, 관측된 프로파일을 통해 셸 거리를 추정하는 진단 도구로 활용 가능하다.
• MgS 특징의 온도 의존성 덕분에 SED 해석의 모호함을 제거할 수 있으며, 향후 SIRTF 및 SOFIA와 같은 기구를 활용해 거리 제약을 설정할 수 있다.