[論文レビュー] The circumstellar envelope around the S-type AGB star W Aql

S. Ramstedt, S. Mohamed+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、CO(J=3→2)線放出の高分解能ALMA観測を用いて、S型のAGB星W Aquilaeの周囲円盤状物質（CSE）を調査した。3次元スムージング粒子法（SPH）を用いた二重星相互作用モデルと放射線輸送モデリングを組み合わせることで、主に10′′程度の間隔をもつ大規模なアーク構造は、既知の遠方の伴星（180 AU）による重力的形状効果と整合的であることが示された。一方、星に近い2–3′′程度の小規模なアーク構造は非対称的であり、解像度の限界にある内側構造や断続的な質量放出と関連している可能性があるが、その起源は未だ不明である。

ABSTRACT

Context. Recent observations at subarcsecond resolution, now possible also at submillimeter wavelengths, have shown intricate circumstellar structures around asymptotic giant branch (AGB) stars, mostly attributed to binary interaction. The results presented here are part of a larger project aimed at investigating the effects of a binary companion on the morphology of circumstellar envelopes (CSEs) of AGB stars. Aims. AGB stars are characterized by intense stellar winds that build CSEs around the stars. Here, the CO(J = 3 → 2) emission from the CSE of the binary S-type AGB star W Aql has been observed at subarcsecond resolution using ALMA. The aim of this paper is to investigate the wind properties of the AGB star and to analyse how the known companion has shaped the CSE. Methods. The average mass-loss rate during the creation of the detected CSE is estimated through modelling, using the ALMA brightness distribution and previously published single-dish measurements as observational constraints. The ALMA observations are presented and compared to the results from a 3D smoothed particle hydrodynamics (SPH) binary interaction model with the same properties as the W Aql system and with two different orbital eccentricities. Three-dimensional radiative transfer modelling is performed and the response of the interferometer is modelled and discussed. Results. The estimated average mass-loss rate of W Aql is Ṁ = 3.0 × 10-6M⊙ yr-1 and agrees with previous results based on single-dish CO line emission observations. The size of the emitting region is consistent with photodissociation models. The inner 10′′ of the CSE is asymmetric with arc-like structures at separations of 2−3′′ scattered across the denser sections. Further out, weaker spiral structures at greater separations are found, but this is at the limit of the sensitivity and field of view of the ALMA observations. Conclusions. The CO(J = 3 → 2) emission is dominated by a smooth component overlayed with two weak arc patterns with different separations. The larger pattern is predicted by the binary interaction model with separations of ~10′′ and therefore likely due to the known companion. It is consistent with a binary orbit with low eccentricity. The smaller separation pattern is asymmetric and coincides with the dust distribution, but the separation timescale (200 yr) is not consistent with any known process of the system. The separation of the known companions of the system is large enough to not have a very strong effect on the circumstellar morphology. The density contrast across the envelope of a binary with an even larger separation will not be easily detectable, even with ALMA, unless the orbit is strongly asymmetric or the AGB star has a much larger mass-loss rate.

研究の動機と目的

• S型のAGB星の周囲円盤状物質（CSE）が二重星伴星によってどのように形作られるかを、W Aquilaeを事例として理解すること。
• ALMAのCO(J=3→2)データと単一電波望遠鏡の制約を用いて、W Aqlの平均質量放出率を特定すること。
• 観測されたCSE内のアーク状構造が、既知の伴星によるものであるか、あるいは他のプロセスによるものであるかを調査すること。
• ALMAの感度と分解能に基づいて、二重星に起因する非対称性の検出限界を評価すること。
• 軌道の離心率と質量放出の変動が、非対称なCSE特徴をどのように形作るかを検討すること。

提案手法

• W AqlのCO(J=3→2)線放出に対して、高分解能ALMAのサブアーキ秒観測を取得した。
• ALMAの輝度分布と既存の単一電波望遠鏡測定値を根拠に、1次元放射線輸送モデリングを用いて平均質量放出率を制約した。
• W Aqlの軌道パラメータ（分離距離～180 AU、伴星質量～1.04–1.09 M⊙）を同一にした3次元SPH二重星相互作用モデルを構築し、2種類の離心率（e=0.2 および e=0.6）をテストした。
• SPHシミュレーションに対して3次元放射線輸送モデリングを実施し、観測可能な強度マップを合成し、ALMAデータと比較した。
• 干渉計応答をシミュレートすることで、異なる軌道および質量放出条件におけるCSE内の密度対比の検出可能性を評価した。
• 偏光によるダスト散乱光画像（PolCor）を用いて、ダストとガスの形態を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W Aqlの平均質量放出率は何か？ また、以前の単一電波望遠鏡の推定値と比較するとどうなるか？
• RQ2 観測されたCO(J=3→2)線放出におけるアーク状構造は、既知の二重星伴星に起因するものか？ どのような軌道パラメータがデータと整合的か？
• RQ3 なぜ2–3′′と約10′′の異なる分離距離に2つの異なるアークパターンが存在するのか？ その小規模な非対称性を説明する物理的プロセスは何か？
• RQ4 既知の伴星の軌道離心率が、ALMA観測におけるCSE特徴の検出可能性と形態にどのように影響を与えるか？
• RQ5 180 AUより大きな距離に位置する二重星がCSEに及ぼす密度対比を、ALMAはどの程度解像可能または検出可能か？

主な発見

• W Aqlの平均質量放出率は3.0×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹と推定され、以前の単一電波望遠鏡CO線観測と整合的である。
• CO(J=3→2)線放出は、滑らかで対称的な成分が支配的であり、それに加えて約10′′および2–3′′の間隔に弱いアーク状構造が重畳されている。
• 大規模なアークパターン（約10′′の間隔）は、低離心率軌道（e≈0.2）を仮定した二重星相互作用モデルと整合的であり、180 AUに位置する既知の伴星によるものである可能性が高い。
• 小規模なアークパターン（2–3′′の間隔）は非対称的であり、星の西南側に既にマッピングされたダスト強度増加と空間的に一致するが、その形成 timescale（約200年）は、システム内に既知のプロセスと一致しない。
• 既知の伴星の分離距離は、強い密度対比を生じさせるには大きすぎる。180 AUより大きな距離では、軌道が非常に高い離心率でない限り、ALMAでは検出不可能である。
• 内側CSEには非対称性や破壊の兆候が見られ、これは第三の近接した伴星の存在を示唆する可能性があるが、これはまだ推測にとどまり、さらなる観測が不可欠である。