[論文レビュー] Nucleosynthesis in AGB stars traced by oxygen isotopic ratios. I - Determining the stellar initial mass by means of the $^{17}$O/$^{18}$O ratio

R. De Nutte, L. Decin+9 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Jun 23, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 46被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、9個のAGB星におけるミリメートル波長域のCO同素体観測から得られた原始星質量を推定するため、原始星周囲の17O/18O比を用いる。この比は、5 M⊙未満の星において熱脈動AGB段階で一定に保たれるため、質量の強力なトレーサーとなる。これにより、7つの天体に対して高精度の初期質量推定が可能となり、2つの星では低質量を支持する二重解が得られた。結果から、M/S型星とC型星の間には17O/18O–脈動周期平面上で差異が生じる可能性があるが、この傾向を確認するにはより大きなサンプルが必要である。

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the $^{17}$O/$^{18}$O ratio for a sample of AGB stars, containing M-, S- and C-type stars. These ratios are evaluated in relation to fundamental stellar evolution parameters: the stellar initial mass and pulsation period. Circumstellar $^{13}$C$^{16}$O, $^{12}$C$^{17}$O and $^{12}$C$^{18}$O line observations were obtained for a sample of nine stars with various single-dish long-wavelength facilities. Line intensity ratios are shown to relate directly to the surface $^{17}$O/$^{18}$O abundance ratio. Stellar evolution models predict the $^{17}$O/$^{18}$O ratio to be a sensitive function of initial mass and to remain constant throughout the entire TP-AGB phase for stars initially less massive than 5\,$M_{\odot}$. This makes the measured ratio a probe of the initial stellar mass. Observed $^{17}$O/$^{18}$O ratios are found to be well in the range predicted by stellar evolution models that do not consider convective overshooting. From this, accurate initial mass estimates are calculated for seven sources. For the remaining two sources two mass solutions result, though with a larger probability that the low-mass solution is the correct one. Finally, hints at a possible separation between M/S- and C-type stars when comparing the $^{17}$O/$^{18}$O ratio to the stellar pulsation period are presented.

研究の動機と目的

• 核合成処理のプローブとして17O/18O比を用いてAGB星の初期質量を特定すること。
• モデルで予測されるように、17O/18O比が熱脈動AGB段階で一定に保たれるかどうかを検証し、これが信頼できる質量指標として機能できることを確認すること。
• M/S型とC型AGB星の間で同位体比に系統的差異があるかどうかを調査し、進化状態や脈動特性と関連する可能性を検討すること。
• 対照的対流オーバーシュートやその他の混合過程が観測された17O/18O比に与える影響を、星の進化モデルと比較することで評価すること。
• 17O/18O比と脈動周期との相関関係を調査し、星族合成や進化系列の診断としての可能性を検討すること。

提案手法

• 長波長域で、単一電波望遠鏡（APEX、IRAM 30m、CSO）を用いて、原始星周囲の13C16O、12C17O、12C18O線の強度を観測した。
• 放射輸送モデルと同位体比スケーリングを用いて、線強度比を表面における17O/18O比に変換した。
• 対照的対流オーバーシュートを含む・含まない星の進化モデルを用い、初期質量と金属量を関数とする17O/18O比を予測した。
• 5 M⊙未満の星において、17O/18O比がTP-AGB段階で一定に保たれると仮定し、観測された17O/18O比とモデル予測を照合することで初期質量を推定した。
• 脈動周期は文献から抽出し、同位体比との相関関係を検討することで、進化系列の予測を検証した。
• 小標本統計と選択バイアスを考慮した統計的解析を実施し、17O/18O–周期平面上での観測傾向の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGB星における17O/18O比は、初期星質量の信頼できるトレーサーとして利用可能か？
• RQ2 モデルで予測されるように、17O/18O比は熱脈動AGB段階を通じて一定に保たれるか？
• RQ3 M/S型とC型AGB星の間で17O/18O比に系統的差異があるか？その原因は何か？
• RQ4 17O/18O比と脈動周期との間に測定可能な相関関係があるか？これは星の進化や選択バイアスに何を示唆するか？
• RQ5 対照的対流オーバーシュートやその他の混合過程は、予測される17O/18O比にどのように影響を与え、観測によって制約可能か？

主な発見

• 7つのAGB星の観測された17O/18O比は、対照的対流オーバーシュートを含まないモデルが予測する範囲内にあり、この比が質量指標として利用可能であることを支持する。
• 観測された17O/18O比とモデル予測を照合することで、7つの星に対して高い精度で初期質量が推定された。
• χ CygとV384 Perでは二重の質量解が得られたが、低質量解のほうが統計的に尤もらしく、これらのケースでは質量のデゲネラシーの可能性が示唆された。
• 17O/18O–脈動周期平面上で、M/S型星とC型星の間のわずかな分離が観測された。C型星は長周期に位置する傾向にあり、ただしサンプルサイズが小さいため、この傾向はまだ統計的に有意ではない。
• 統計的解析から、17O/18O–周期図における星の配置がランダムサンプリングによるものではない可能性が示され、M/S星ではp値19.6%、C星ではp値9.3%であった。これは実際の背後にあるパターンが存在する可能性を示唆している。
• 本研究は、潜在的な進化傾向を確認し、同位体比研究における選択バイアスを低減するため、より大きなサンプルとマルチ分子分析の必要性を強調した。