[论文解读] Sulphur-bearing molecules in AGB stars I: The occurrence of hydrogen sulfide

T. Danilovich, M. Van de Sande+5 more|Lirias (KU Leuven)|Jul 19, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 59被引用 14

一句话总结

本研究利用阿佩克斯望远镜的亚毫米波观测，调查了渐近巨星支（AGB）星周包层中的硫化氢（H₂S）。研究发现，H₂S仅在高质量损失率的富氧化合物AGB星中被探测到，其峰值丰度相对于H₂在4×10⁻⁷至2.5×10⁻⁵之间，表明H₂S是这些环境中硫的主要载体，尤其在V1300 Aql和GX Mon中尤为显著。

ABSTRACT

Through a survey of (sub-)millimetre emission lines of various sulphur-bearing molecules, we aim to determine which molecules are the primary carriers of sulphur in different types of AGB stars. In this paper, the first in a series, we investigate the occurrence of H$_2$S in AGB circumstellar envelopes and determine its abundance, where possible. We have surveyed 20 AGB stars with a range of mass-loss rates and of different chemical types using the APEX telescope to search for rotational transition lines of five key sulphur-bearing molecules: CS, SiS, SO, SO$_2$ and H$_2$S. Here we present our results for H$_2$S, including detections, non-detections and detailed radiative transfer modelling of the detected lines. We compare results based on different descriptions of the molecular excitation of H$_2$S and different abundance distributions, including those derived from chemical modelling results. We detected H$_2$S towards five AGB stars, all of which have high mass-loss rates of $\dot{M}\geq 5 imes 10^{-6}M_\odot$ yr$^{-1}$ and are oxygen-rich. H$_2$S was not detected towards the carbon or S-type stars that fall in a similar mass-loss range. For the stars in our sample with detections, we find peak o-H$_2$S abundances relative to H$_2$ between $4 imes 10^{-7}$ and $2.5 imes 10^{-5}$. Overall, we conclude that H$_2$S can play a significant role in oxygen-rich AGB stars with higher mass-loss rates, but is unlikely to play a key role in stars of other chemical types or the lower mass-loss rate oxygen-rich stars. For two sources, V1300 Aql and GX Mon, H$_2$S is most likely the dominant sulphur-bearing molecule in the circumstellar envelope.

研究动机与目标

• 确定H₂S在AGB星周包层中的存在情况及其丰度。
• 评估H₂S在不同化学类型的AGB星中作为硫主要载体的作用。
• 利用辐射转移建模与多线观测约束H₂S丰度分布。
• 将H₂S丰度与其他含硫分子进行比较，并评估探测到的源中总硫预算。

提出的方法

• 利用阿佩克斯望远镜对20颗AGB星进行亚毫米波调查，以探测H₂S及其他含硫分子的转动跃迁。
• 对探测到的正构H₂S（o-H₂S）谱线进行详细的辐射转移建模，采用来自化学模型的两种丰度分布和一种高斯分布（当探测到多条谱线时使用）。
• 使用三组不同的分子数据文件，其中碰撞去激发速率基于H₂O速率进行缩放，以评估建模不确定性。
• 将观测到的谱线强度与合成光谱进行比较，以推导H₂S柱密度和丰度分布。
• 利用未检测到的谱线结果，为未探测到发射的恒星设定H₂S丰度的上限。
• 评估同位素谱线（o-H₂³⁴S，p-H₂S）的丰度一致性，尽管由于信噪比低，无法进行完整建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在哪些类型的AGB星中可探测到H₂S？其存在的有利条件是什么？
• RQ2 在探测到的源中，H₂S相对于H₂的峰值丰度是多少？其如何随质量损失率和化学类型变化？
• RQ3 H₂S是否是探测到的AGB星周包层中主要的含硫分子？
• RQ4 不同的分子数据文件和激发模型如何影响推导出的H₂S丰度？
• RQ5 在H₂S发射较强的源中，其他含硫分子对总硫预算的贡献程度如何？

主要发现

• 在五颗AGB星中探测到H₂S，这些恒星均为富氧化合物星，且质量损失率较高（Ṁ ≥ 5×10⁻⁶ M☉ yr⁻¹）。
• 在质量损失率相近的碳星或S型星中未发现H₂S探测信号，表明其存在强烈依赖于化学类型。
• 不同源及建模方法下，正构H₂S（o-H₂S）相对于H₂的峰值丰度在4×10⁻⁷至2.5×10⁻⁵之间变化。
• 在V1300 Aql和GX Mon中，H₂S极有可能是主要的含硫分子，当与SiS、SO和SO₂的丰度结合时，总硫丰度与预期值一致。
• 对于V1300 Aql和GX Mon两颗恒星，SiS、SO、SO₂和CS的总丰度与预期硫预算一致，表明HS或原子S的贡献较小。
• 由于缺乏可靠的p-H₂S或o-H₂³⁴S探测结果，限制了同位素比值的约束能力，且在缺乏改进数据或更新碰撞速率系数的情况下，无法验证丰度模型。