[论文解读] Planetary Nebulae in the Magellanic Clouds: II) Abundances and element production

P. Leisy, M. Dennefeld|ArXiv.org|Sep 14, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用 65

一句话总结

本研究对大、小麦哲伦云中的156个行星状星云（PNe）进行了元素丰度的同质化分析，揭示了氧和氖在PNe中显著受到内部处理的影响，特别是通过第三对流包层和热底燃烧过程。因此，氧和氖无法可靠地追溯原恒星的初始金属丰度；相反，由于氩未被处理，建议将其作为最可靠的指标。

ABSTRACT

We present the second part of an optical spectroscopic study of planetary nebulae in the LMC and SMC. The first paper, Leisy & Dennefeld (1996), discussed the CNO cycle for those objects where C abundances were available. In this paper we concentrate more on other elemental abundances (such as O, Ne, S, Ar) and their implications for the evolution of the progenitor stars. We use a much larger sample of 183 objects, of which 65 are from our own observations, where the abundances have been re-derived in a homogeneous way. For 156 of them, the quality of data is considered to be satisfactory for further analysis. We confirm the difficulty of separating Type-I and non-type-I objects in the classical He-N/O diagram, as found in Paper I, a problem reinforced by the variety of initial compositions for the progenitor stars. We observed oxygen variations, either depletion via the ON cycle in the more massive progenitor stars, or oxygen production in other objects. Neon production also appears to be present. These enrichments are best explained by fresh material from the core or from burning shells, brought to the surface by the 3rd dredge-up, as reproduced in recent models, some including overshooting. All the effects appear stronger in the SMC, suggesting a higher efficiency in a low metallicity environment. Neither oxygen nor neon can therefore be used to derive the initial composition of the progenitor star: other elements not affected by processing such as sulfur, argon or, if observed, chlorine, have to be preferred for this purpose. Some objects with very low initial abundances are detected, but on average, the spatial distribution of PNe abundances is consistent with the history of star formation (SF) as derived from field stars in both Clouds.

研究动机与目标

• 以同质化方式重新推导大、小麦哲伦云中大量行星状星云的元素丰度（O、Ne、S、Ar等）。
• 研究恒星处理过程（特别是第三对流包层和热底燃烧）对PNe中观测丰度的影响。
• 确定在低金属丰度环境中，氧或氖是否能可靠地追溯原恒星的初始金属丰度。
• 评估利用PNe丰度追踪麦哲伦云化学演化历史的可靠性。
• 识别适合用于测量PNe原恒星初始丰度的未处理元素（如氩）

提出的方法

• 结合对65个PNe的新光谱观测，并重新分析另外118个PNe的已发表数据，形成包含183个PNe的同质化样本。
• 在所有天体中使用一致的温度和密度诊断方法，以推导电离校正因子和元素丰度。
• 应用经典丰度-丰度图（如He-N/O、O-Ne）以识别趋势，并区分I型与非I型PNe。
• 评估恒星演化过程（如第三对流包层、热底燃烧和过冲）对观测丰度的影响。
• 将观测丰度与包含过冲和自转的理论模型进行比较，以评估其与预测的一致性。
• 评估关键元素（Cl、S、Ar）在追溯初始金属丰度方面的可检测性和可靠性，重点关注谱线强度和波长覆盖范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 PNe中观测到的氧和氖丰度在多大程度上反映了其原恒星的初始组成？
• RQ2 第三对流包层和热底燃烧的效率在大、小麦哲伦云中随初始金属丰度如何变化？
• RQ3 鉴于氩未被处理，能否可靠地将其用作PNe中初始金属丰度的替代指标？
• RQ4 为何在低金属丰度环境中，He-N/O图中I型与非I型PNe的区分存在歧义？
• RQ5 当前光学光谱在测量PNe中硫和氯等关键元素时存在哪些局限性？

主要发现

• PNe中氧和氖的丰度显著受到内部处理的影响，特别是通过第三对流包层和热底燃烧过程，因此无法用于推断原恒星的初始金属丰度。
• 第三对流包层几乎在所有小麦哲伦云PNe中发生，在大麦哲伦云中约50%的PNe中发生，而在银河系中仅在极少数PNe中发生，表明在低金属丰度下效率更高。
• 热底燃烧在小麦哲伦云中更为普遍，且在比高金属丰度环境中的恒星质量更低，与理论模型一致。
• 恒星模型中的过冲可增强核心氧的生成，这些氧随后被上翻至表面并在PNe中观测到，解释了部分天体中高氧丰度的现象。
• 氩是目前唯一可用于追溯PNe初始金属丰度的可靠元素，因其未被显著处理；而氯的谱线过弱，硫的丰度测量则受限于弱或不可及的谱线。
• 大量已发表的光谱质量较差，引入了散射和偏差，尤其偏向更亮、更高质量的PNe，从而限制了丰度测定的可靠性。