[论文解读] The chemical composition of TS 01, the most oxygen-deficient planetary nebula. AGB nucleosynthesis in a metal-poor binary star

G. Stasińska, C. Morisset+11 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 20, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用 18

一句话总结

本研究利用 Cloudy 3D 和恒星模型大气进行详细的光致电离建模，确定了 TS 01 的极端化学成分，该天体是目前已知最缺氧的行星状星云。研究发现，氧、碳、氮和氖的丰度分别为太阳值的 1/70、1/3.5、1/4.2 和 1/11，结果表明，需要在具有密近双星伴星的金属丰度较低的渐近支巨星（AGB）星中通过自转诱导的混合过程，才能重现观测到的核合成模式。

ABSTRACT

The planetary nebula TS 01 (also called PN G 135.9+55.9 or SBS 1150+599A), with its record-holding low oxygen abundance and its double degenerate close binary core (period 3.9 h), is an exceptional object located in the Galactic halo. We have secured observational data in a complete wavelength range in order to pin down the abundances of half a dozen elements in the nebula. The abundances are obtained via detailed photoionization modelling taking into account all the observational constraints (including geometry and aperture effects) using the pseudo-3D photoionization code Cloudy_3D. The spectral energy distribution of the ionizing radiation is taken from appropriate model atmospheres. Both stellar components contribute to the ionization: the ``cool'' one provides the bulk of hydrogen ionization, and the ``hot'' one is responsible for the presence of the most highly charged ions, which explains why previous attempts to model the nebula experienced difficulties. The nebular abundances of C, N, O, and Ne are found to be respectively, 1/3.5, 1/4.2, 1/70, and 1/11 of the Solar value, with uncertainties of a factor 2. Thus the extreme O deficiency of this object is confirmed. The abundances of S and Ar are less than 1/30 of Solar. Standard models of stellar evolution and nucleosynthesis cannot explain the abundance pattern observed in the nebula. To obtain an extreme oxygen deficiency in a star whose progenitor has an initial mass of about 1 msun requires an additional mixing process, which can be induced by stellar rotation and/or by the presence of the close companion. We have computed a stellar model with initial mass of 1 msun, appropriate metallicity, and initial rotation of 100 kms, and find that rotation greatly improves the agreement between the predicted and observed abundances.

研究动机与目标

• 确定目前已知最缺氧的行星状星云 TS 01 中关键元素（C、N、O、Ne、S、Ar、He）的精确化学丰度。
• 解决长期存在的难题：解释 TS 01 中极端丰度模式无法被标准 AGB 核合成模型重现的问题。
• 探究在金属丰度较低的 AGB 星中，自转或双星相互作用是否能驱动必要的混合过程以重现观测到的丰度。
• 利用多波段观测约束，评估双星系统中两颗恒星对星云电离的贡献。
• 检验初始自转的 1 M⊙ 金属丰度较低 AGB 模型是否能重现观测到的星云丰度，特别是低氧和高碳氮比。

提出的方法

• 从 CFHT、哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜获取多波段光谱数据，覆盖完整的电离和星云发射谱。
• 应用伪 3D 光致电离代码 Cloudy 3D 建模星云，整合几何结构、孔径效应和电离结构。
• 使用双星中心星的模型大气推导电离谱能量分布，其中较冷和较热的组分均对电离有贡献。
• 通过拟合观测到的谱线比（如 [Ne v] λ3426、[Ne iii] λ3869）和电子温度诊断，约束星云丰度。
• 将观测到的星云丰度与不同初始自转速度（100 km s⁻¹）和金属丰度的 AGB 演化模型预测进行比较。
• 评估双星相互作用（尤其是质量转移和自转加速）在增强混合过程方面的作用，其效果超过标准非自转模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 行星状星云 TS 01 中碳、氮、氧、氖、硫、氩和氦的精确丰度是多少？
• RQ2 为何 TS 01 的氧极度贫乏？这一现象如何与标准 AGB 核合成模型相协调？
• RQ3 在金属丰度较低的 AGB 星中，恒星自转在多大程度上能解释观测到的丰度模式，特别是低氧和高碳氮比？
• RQ4 双星中心星的两个组分如何共同贡献于星云的电离？为何以往模型未能重现观测结果？
• RQ5 通过质量转移和自转加速引发的双星诱导混合，能否解释 TS 01 中观测到的极端丰度模式？

主要发现

• TS 01 星云中的氧丰度为太阳值的 1/70，使其成为目前已知最缺氧的行星状星云。
• 碳、氮和氖的丰度分别为太阳值的 1/3.5、1/4.2 和 1/11，不确定度为 ±0.3 dex。
• 硫和氩的丰度小于太阳值的 1/30，表明存在极端贫化。
• 氦丰度为 12 + log(He/H) = 10.95 ± 0.04，与低金属丰度起源一致。
• 星云中的碳丰度比冷星大气中的高出约 0.8 dex，表明可能存在额外处理过程或观测不确定性。
• 标准非自转 AGB 模型无法重现观测到的丰度模式，但初始自转速度为 100 km s⁻¹ 的模型显著改善了拟合效果，尤其在氧和氮的丰度上。