[논문 리뷰] Molecular line study of the S-type AGB star W Aquilae. ALMA observations of CS, SiS, SiO and HCN

M. Brunner, T. Danilovich외 6명|Lirias (KU Leuven)|2018. 06. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 S형 AGB 별 W 앨리우스의 원환성 환경에서 CS, SiS, 30SiS, 29SiO, H13CN의 반경 방향 농도 분포를 모델링하기 위해 고해상도 ALMA 관측을 사용한다. 방사선 구조를 해석하고 공간 해상도가 있는 복사선 밀도를 적합시켜, 29SiO 및 H13CN과 같은 희귀 이소토폴로그가 이전에 상정한 것보다 더 큰 e-반감반경을 가짐을 발견하여, S형 항성에서 화학적 진화와 바람 역학에 대한 제약 조건을 향상시킨다.

ABSTRACT

Context. With the outstanding spatial resolution and sensitivity of the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA), molecular gas other than the abundant CO can be observed and resolved in circumstellar envelopes (CSEs) around evolved stars, such as the binary S-type Asymptotic Giant Branch (AGB) star W Aquilae. Aims. We aim to constrain the chemical composition of the CSE and determine the radial abundance distribution, the photospheric peak abundance, and isotopic ratios of a selection of chemically important molecular species in the innermost CSE of W Aql. The derived parameters are put into the context of the chemical evolution of AGB stars and are compared with theoretical models. Methods. We employ one-dimensional radiative transfer modeling - with the accelerated lambda iteration (ALI) radiative transfer code - of the radial abundance distribution of a total of five molecular species (CS, SiS, 30SiS, 29SiO and H13CN) and determine the best fitting model parameters based on high-resolution ALMA observations as well as archival single-dish observations. The additional advantage of the spatially resolved ALMA observations is that we can directly constrain the radial profile of the observed line transitions from the observations. Results. We derive abundances and e-folding radii for CS, SiS, 30SiS, 29SiO and H13CN and compare them to previous studies, which are based only on unresolved single-dish spectra. Our results are in line with previous results and are more accurate due to resolution of the emission regions.

연구 동기 및 목표

• W 앨리우스의 내부 원환성 환경에서 핵심 분자 종류(CS, SiS, 30SiS, 29SiO, H13CN)의 반경 방향 농도 분포를 제약하기 위해.
• 공간 해상도가 있는 ALMA 데이터를 사용하여 이 종류들의 광원 표면 농도와 이소토포일 비율을 결정하기 위해.
• 해결된 방출 프로파일과 비대칭성을 통합함으로써 복사선 전달 모델링을 향상시켜 이전 가정에 의존하는 것을 줄이기 위해.
• 관측된 농도 분포를 이론 예측과 이전 단일 안테나 연구와 비교하여 화학적 진화 모델링의 정확도를 향상시키기 위해.
• 12C/13C와 같은 이소토폴로그 비율이 AGB 항성 진화와 바람 구동 메커니즘에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 관측된 선형형태를 적합하기 위해 가속화된 람다 반복(accelerated lambda iteration, ALI) 코드를 사용한 일차원 복사선 전달 모델링을 시행하였다.
• uv 평면에서 고해상도 ALMA 복사선 밀도를 사용하여 분자선의 반경 방향 방출 프로파일을 직접 제약하였다.
• 신호 대 잡음비와 스펙트럼 커버리지 향상을 위해 ALMA 데이터와 기록된 단일 안테나 관측을 융합하였다.
• 두 가지 모델 구성 요건을 시험: 균일한 외출류와 비대칭성을 고려하기 위해 추가적인 델타-함수 과밀도 성분을 포함한 모델.
• 최적의 매개변수(예: e-반감반경, 농도 등)를 유도하기 위해 χ² 최소화 방법을 사용하여 모델을 복사선 밀도 데이터에 적합시켰다.
• 29SiO 및 H13CN과 같은 이소토폴로그의 농도 프로파일을 28SiO 및 H12CN과 같은 메인 이소토폴로그와 비교하여 반경 방향 분포의 이질성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W 앨리우스의 원환성 환경에서 CS, SiS, 30SiS, 29SiO, H13CN의 반경 방향 농도 분포는 이전의 단일 안테나 연구와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 29SiO 및 H13CN 이소토폴로그의 진정된 e-반감반경은 무엇이며, 이는 그들의 메인 이소토폴로그 대비 어떻게 다를까?
• RQ3 분자 방출의 공간 비대칭성(예: 이중성 궤도에 따라 연장된 형태)은 농도 프로파일 해석에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 H12CN/H13CN 선 비율을 기반으로 도출된 W 앨리우스의 12C/13C 비율은 무엇이며, CO 이소토폴로그에서의 값과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ5 복사선 전달 모델에 과밀도 성분을 포함시키면 ALMA 복사선 밀도 데이터에 대한 적합도가 상당히 향상되는가?

주요 결과

• ALMA 관측은 CS, SiS, 30SiS, 29SiO, H13CN의 방출을 해상도 있게 해석하여, 이질적인 약한 방출에 둘러싸인 밀집된 가우시안 성분을 드러내었으며, 이는 이중성 궤도에 따라 정렬되어 있을 가능성이 있다.
• 가우시안 성분과 동일한 위치에 추가적인 델타-함수 방출 성분을 포함시키면 ALMA uv-데이터에 대한 적합도가 상당히 향상되며, 이는 외출류 내 국소적 과밀도를 시사한다.
• 29SiO 및 H13CN 이소토폴로그는 이전에 상정한 것보다 더 큰 e-반감반경을 가지며, 28SiO 및 H12CN과의 반경 방향 농도 프로파일이 다르게 나타나, 이전 모델링 가정에 도전한다.
• 유도된 H12CN/H13CN 비율은 17 ± 6이며, 이는 12C/13C 비율이 약 17임을 시사한다. 이는 이전 CO 이소토폴로그에서의 추정치 26–29보다 낮으며, 이소토폴로그 비율 추적에 잠재적인 모순을 제기한다.
• 모든 다섯 종류의 반경 방향 농도 분포는 이전 연구와 일치하지만, 공간 해상도 덕분에 더 정확하게 제약되었으며, 모델의 다중해석 문제를 감소시켰다.
• 본 연구는 공간 해상도가 있는 ALMA 데이터가 방출 크기와 반경 프로파일을 직접 측정할 수 있음을 입증하며, 가정된 함수 형태에 대한 의존도를 줄이고 모델의 독립성을 향상시킨다.