[論文レビュー] The 12C/13C-ratio in cool carbon stars

F. L. Schoeier, H. Olofsson|arXiv (Cornell University)|May 17, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、周囲星間物質領域からのミリ波帯13CO放出を用いて、冷却炭素星における12C/13C比を決定した。非局所温度平衡（non-LTE）放射線輸送モデルを適用して光学的厚さ効果を補正した。得られた12CO/13CO比（2.5～90の範囲）は、Lambertら（1986）の光球層からの値とよく一致し、それまでの矛盾する主張とは対照的に、彼らの高い同位体比を支持するものであり、正確にモデル化された場合、周囲星間物質の同位体比が星の12C/13C比を信頼性高く反映することを示している。

ABSTRACT

We present observations of circumstellar millimetre-wave 13CO line emission towards a sample of 20 cool carbon stars. Using a detailed radiative transfer model we estimate the circumstellar 12CO/13CO-ratios, which we believe accurately measure the important stellar 12C/13C-ratios. For those optically bright carbon stars where it is possible, our derived 12C/13C-ratios are compared with the photospheric results, obtained with different methods. Our estimates agree well with those of Lambert et al. (1986). It is shown that a straightforward determination of the 12CO/13CO-ratio from observed line intensity ratios is often hampered by optical depth effects, and that a detailed radiative transfer analysis is needed in order to determine reliable isotope ratios.

研究の動機と目的

• 冷却炭素星における12C/13C比の矛盾する測定値を解消すること、特にLambert ら（1986）とOhnaka & Tsuji（1996, 1999）の間の対立を解消すること。
• 12CO放出における光学的厚さ効果のため、単純な線強度比が信頼できないという問題に取り組むこと。
• 周囲星間物質における12COおよび13COのミリ波帯線放出を用い、詳細な放射線輸送モデリングにより正確な12C/13C比を導出すること。
• 10²～10³年という時間スケールで、周囲星間物質の12CO/13CO比が星の12C/13C比の信頼できる代理指標であるかどうかを検証すること。
• 理論的予測（CNOサイクル核融合生成および質量放出履歴）と結果の整合性を評価すること。

提案手法

• 20個の冷却炭素星の13CO線放出を、スウェーデン-ESOミリ波電波望遠鏡、オンサラ20m電波望遠鏡、NRAO 12m電波望遠鏡を用いて観測した。
• 周囲星間物質領域における12COおよび13COの励起および放射をモデリングする非局所温度平衡（non-LTE）放射線輸送コードを適用した。
• 12COおよび13COの分子濃度分布にMamon ら（1988）の結果を用い、光分解および化学的分離効果を考慮した。
• 複数の遷移線データを用いてモデルをキャリブレーションし、質量放出率、拡張速度、温度構造などのパラメータを調整した。
• 詳細な準位分布および線幅関数を用いて、12CO線における光学的厚さ効果を放射線輸送方程式を解くことで補正した。
• 周囲星間物質の12CO/13CO比を、Lambert ら（1986）およびOhnaka & Tsuji（1996）の光球層からの値と比較し、一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光球層分析と周囲星間物質分析の両方から得られる12C/13C比の矛盾する推定値を踏まえ、冷却炭素星における真の12C/13C比は何か？
• RQ2 12CO線における光学的厚さ効果が単純な強度比法をどのように歪めるのか。放射線輸送モデリングによってその補正は可能か？
• RQ3 10²～10³年という時間スケールで、周囲星間物質の12CO/13CO比は、星の固有の12C/13C比を信頼性高く反映できるか？
• RQ4 導出された12CO/13CO比は、Lambert ら（1986）が報告した高い値を支持するのか、それともOhnaka & Tsuji（1996）の低い値を支持するのか？
• RQ5 J星および質量放出率の高い星（例：IRAS 15194-5115）における12C/13C比は、CNOサイクル核融合生成の予測と整合的か？

主な発見

• 詳細な放射線輸送モデリングにより導出された周囲星間物質の12CO/13CO比は、2.5～90の範囲にあり、その大部分が10～90の範囲に分布している。
• 導出された12CO/13CO比は、Lambert ら（1986）の光球層からの12C/13C比とよく一致しており、彼らの高い値を支持する。
• 単純な強度比法は、特に質量放出率の高い星では12CO線における強い光学的厚さ効果のため信頼できない。
• 光学的厚さ補正は不可欠であり、本研究ではGreaves & Holland（1997）が報告した値と比較して、周囲星間物質の12CO/13CO比がほぼ2倍高いことが判明した。
• R ReticuliiおよびS Sculptorisの分離した殻状構造では、現在の光球層値と整合的な12CO/13CO比が得られ、約10³～10⁴年間にわたり組成に顕著な変化がないことが示された。
• J星および質量放出率の高い星IRAS 15194-5115では、12C/13C比がCNOサイクル予測と整合的であり、IRAS 15194-5115はおそらく3.5 M☉のホットボトムバーニングの閾値に近い可能性がある。