[论文解读] The evolution of planetary nebulae. VIII. True expansion rates and visibility times

R. Jacob, D. Schoênberner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 37被引用 25

一句话总结

本研究利用辐射流体动力学模拟校正行星状星云（PNe）的光谱膨胀速度，揭示其真实平均膨胀速度为42 km s⁻¹——几乎是以往常用值的两倍。这导致星云扩展至0.9 pc所需可见时间被修正为21,000 ± 5,000年，显著影响了行星状星云群体估算及恒星群体合成模型中的诞生/死亡率计算。

ABSTRACT

The visibility time of planetary nebulae (PNe) in stellar systems is an essential quantity for estimating the size of a PN population in the context of general population studies. For instance, it enters directly into the PN death rate determination. The basic ingredient for determining visibility times is the typical nebular expansion velocity, as a suited average over all PN sizes of a PN population within a certain volume or stellar system. The true expansion speed of the outer nebular edge of a PN is, however, not accessible by spectroscopy -- a difficulty that we surmount by radiation-hydrodynamics modelling. We find a mean true expansion velocity of 42 km/s, i.e. nearly twice as high as the commonly adopted value to date. Accordingly, the time for a PN to expand to a radius of, say 0.9 pc, is only 21000 +/- 5000 years. This visibility time of a PN holds for all central star masses since a nebula does not become extinct as the central star fades. There is, however, a dependence on metallicity in the sense that the visibility time becomes shorter for lower nebular metal content. With the higher expansion rate of PNe derived here we determined their local death-rate density as (1.4 +/- 0.5) x E-12 PN pc^{-3} yr^{-1}, using the local PN density advocated by Frew (2008).

研究动机与目标

• 为解决长期存在的行星状星云（PN）可见时间不确定性问题，这是估算PN群体规模和诞生/死亡率的关键参数。
• 解决光谱测量无法捕捉行星状星云外激波前沿真实膨胀速度的根本局限。
• 利用物理上自洽的辐射流体动力学模型校正观测到的光谱线宽，推导出星云壳层的真实膨胀速度。
• 重新评估本地行星状星云死亡率密度，并与白矮星诞生率进行比较，评估恒星群体合成模型中的一致性。

提出的方法

• 采用辐射流体动力学模拟，对从渐近巨支阶段到行星状星云阶段的完整演化过程进行建模，包括电离驱动激波和星风相互作用。
• 将模型预测的Hα表面亮度随半径变化与Frew（2008）的经验校准进行标定，获得极佳一致性。
• 选取289个距离在2 kpc以内、形状规则的圆形或椭圆形行星状星云样本，用于分析光谱膨胀速度。
• 应用模型确定观测光谱线宽与星云外缘激波前沿真实膨胀速度之间的校正因子。
• 通过将典型星云半径（0.9 pc）除以校正后的真实膨胀速度，推导出可见时间。
• 利用Frew（2008）的本地PN密度和修正后的可见时间，计算出本地PN死亡率密度为（1.4 ± 0.5）× 10⁻¹² pc⁻³ yr⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 行星状星云外激波前沿的真实膨胀速度是多少，它与光谱测量值有何差异？
• RQ2 校正后的膨胀速度如何影响星系中行星状星云可见时间的估算？
• RQ3 行星状星云的本地死亡率密度结果如何，与观测到的白矮星诞生率相比有何异同？
• RQ4 距离尺度、标高和调查完备性等不确定因素如何影响行星状星云死亡率与白矮星诞生率之间的一致性？
• RQ5 金属丰度在多大程度上影响行星状星云的可见时间？

主要发现

• 行星状星云的真实平均膨胀速度为42 km s⁻¹，约为文献中先前假设值的两倍。
• 星云扩展至0.9 pc半径的可见时间为21,000 ± 5,000年，显著短于早期估计值。
• 该可见时间与中心星质量无关，因为星云在整个中心星消光过程中均保持可见，但其取决于星云金属丰度。
• 较低金属丰度导致可见时间缩短，原因在于线辐射减少及电离前缘传播更快。
• 修正后的本地PN死亡率密度为（1.4 ± 0.5）× 10⁻¹² pc⁻³ yr⁻¹，基于Frew（2008）的本地PN密度和校正后的可见时间推导得出。
• 尽管存在系统性不确定因素，推导出的PN死亡率与白矮星诞生率之间仍保持高度一致，表明当前恒星群体模型具有一致性，但标高和距离校准仍是关键不确定因素。