[論文レビュー] The extended molecular envelope of the asymptotic giant branch star $π^{1}$ Gruis as seen by ALMA I. Large-scale kinematic structure and CO excitation properties

Lam Doan, S. Ramstedt+9 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Sep 27, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、ALMAおよび多波長観測を用いて、S型のAGB星π¹ Gruisの原始星周囲環境（CSE）の3次元運動構造をモデル化し、トーラス-二重極性噴流系を明らかにした。最良のフィットモデルは、拡張するトーラス、中心の噴流、高速の二重極性噴流という3つの成分を特定し、質量損失率は7.7 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹を示した。また、放射圧の約20倍の運動量過剰が噴流に見られることが確認され、非放射的加速機構が関与していることを示唆した。

ABSTRACT

The S-type asymptotic giant branch (AGB) star $π^{1}$ Gruis has a known companion at a separation of $\approx$400 AU. The envelope structure, including an equatorial torus and a fast bipolar outflow, is rarely seen in the AGB phase and is particularly unexpected in such a wide binary system. Therefore a second, closer companion has been suggested, but the evidence is not conclusive. The new ALMA $^{12}$CO and $^{13}$CO $J$=3-2 data, together with previously published $^{12}$CO $J$=2-1 data from the Submillimeter Array (SMA), and the $^{12}$CO $J$=5-4 and $J$=9-8 lines observed with Herschel/Heterodyne Instrument for the Far-Infrared (HIFI), is modeled with the 3D non-LTE radiative transfer code SHAPEMOL. The data analysis clearly confirms the torus-bipolar structure. The 3D model of the CSE that satisfactorily reproduces the data consists of three kinematic components: a radially expanding torus with velocity slowly increasing from 8 to 13 km s$^{-1}$ along the equator plane; a radially expanding component at the center with a constant velocity of 14 km s$^{-1}$; and a fast, bipolar outflow with velocity proportionally increasing from 14 km s$^{-1}$ at the base up to 100 km s$^{-1}$ at the tip, following a linear radial dependence. The results are used to estimate an average mass-loss rate during the creation of the torus of 7.7$ imes$10$^{-7}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$. The total mass and linear momentum of the fast outflow are estimated at 7.3$ imes$10$^{-4}$ M$_{\odot}$ and 9.6$ imes$10$^{37}$ g cm s$^{-1}$, respectively. The momentum of the outflow is in excess (by a factor of about 20) of what could be generated by radiation pressure alone, in agreement with recent findings for more evolved sources. The best-fit model also suggests a $^{12}$CO/$^{13}$CO abundance ratio of 50. Possible shaping scenarios for the gas envelope are discussed

研究の動機と目的

• 高分解能のALMAデータを用いて、π¹ Gruisの原始星周囲環境（CSE）の3次元運動構造を再構築すること。
• 放射線輸送モデリングを通じて、CSE内の密度および温度分布を制約すること。
• 二重星相互作用の文脈において、特に赤道面トーラスおよび高速二重極性噴流の非球面的形状の起源を調査すること。
• トーラス形成期の質量損失率と高速噴流の運動量を推定し、駆動機構を評価すること。
• CSEにおける12CO/13COの濃度比を特定し、非対称なCSEの形状形成シナリオを評価すること。

提案手法

• 高感度で空間分解能の高いALMA-ACA 12CO J=3-2および13CO J=3-2線放出データを取得した。
• 多ライン制約を得るため、既存のSMA 12CO J=2-1およびHerschel/HIFI 12CO J=5-4およびJ=9-8のデータとALMAデータを統合した。
• 非球面的で運動的に異なる成分を有するCSEをモデリングするため、3次元非局所熱平衡放射線輸送コードSHAPEMOLを採用した。
• 観測された線幅関数、チャンネルマップ、位置-速度図にモデルをフィットさせ、物理的パラメータを導出した。
• 放射圧に対する噴流の運動量過剰を評価し、加速機構を推察した。
• 観測された線強度にモデルをフィットさせることで、12CO/13CO濃度比を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 π¹ Gruisの原始星周囲環境の3次元運動構造は何か？ また、その成分（トーラス、中心の噴流、二重極性噴流）は速度および空間的分布においてどのように異なるか？
• RQ2 赤道面トーラス形成期の質量損失率は何か？ また、現在の質量損失率と比較するとどうか？
• RQ3 高速二重極性噴流の運動量は何か？ また、放射圧のみで説明できる範囲を超えているか？
• RQ4 CSEにおける12CO/13CO濃度比は何か？ これは化学的組成およびモデリングの仮定にどのような含意を持つか？
• RQ5 トーラスおよび二重極性噴流の形成を説明する最も妥当な物理的メカニズム（例：二重星相互作用、磁場）は何か？

主な発見

• 3次元放射線輸送モデルは、観測された線幅関数、チャンネルマップ、位置-速度図を良好に再現し、複雑で非球面的なCSE構造を確認した。
• CSEは、赤道面に沿って速度が8から13 km s⁻¹に増加する径方向に拡張するトーラス、中心部で14 km s⁻¹で拡張する成分、および基部で14 km s⁻¹から先端で100 km s⁻¹に線形に増加する高速二重極性噴流という3つの運動的成分で最もよくモデル化された。
• トーラス形成期の質量損失率は7.7 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹と推定され、AGB風の進化と整合的であった。
• 高速二重極性噴流の全質量は7.3 × 10⁻⁴ M☉であり、線形運動量は9.6 × 10³⁷ g cm s⁻¹であった。これは放射圧を約20倍上回っており、運動量過剰が顕著に確認された。
• 運動量過剰は、放射圧のみで噴流を駆動しているとは考えにくく、磁場や二重星相互作用などの追加的メカニズムが関与している可能性を強く示唆した。
• 最良のフィットモデルでは、12CO/13CO濃度比が50となった。これはAGB環境における典型的な値と整合的であり、モデルの物理的妥当性を支持するものであった。