[논문 리뷰] The wind of W Hya as seen by Herschel. II. The molecular envelope of W Hya

T. Khouri, A. de Koter외 19명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 허셜 우주망원경 데이터를 이용해 산소 풍부한 AGB 별 W 히드라의 분자 막대를 모델링하며, 12CO, H2O, 28SiO 선을 통합하여 풍속 구조와 화학 조성을 제약한다. 난류 속도는 0.7±0.1 km s⁻¹, H2O 오르토-대칭 비율은 2.5⁺².⁵₋₁.⁰, 初기 항성 질량은 약 1.5 M⊙로 추정되며, 28SiO 농도는 약 1/3의 규소가 먼지에 갇혀 있음을 확인하여 CO 데이터로부터의 막대 모델을 확인하고 난류 및 이sov형 제약을 개선한다.

ABSTRACT

The evolution of low- and intermediate-mass stars on the asymptotic giant branch (AGB) is mainly controlled by the rate at which these stars lose mass in a stellar wind. Understanding the driving mechanism and strength of the stellar winds of AGB stars and the processes enriching their surfaces with products of nucleosynthesis are paramount to constraining AGB evolution and predicting the chemical evolution of galaxies. In a previous paper we have constrained the structure of the outflowing envelope of W Hya using spectral lines of the $^{12}$CO molecule. Here we broaden this study by modelling an extensive set of H$_{2}$O and $^{28}$SiO lines observed by the three instruments on board Herschel using a state-of-the-art molecular excitation and radiative transfer code. The oxygen isotopic ratios and the $^{28}$SiO abundance profile can be connected to the initial stellar mass and to crucial aspects of dust formation at the base of the stellar wind, respectively. The modelling of H$_{2}$O and $^{28}$SiO confirms the properties of the envelope model of W Hya derived from $^{12}$CO lines. We find an H$_2$O ortho-to-para ratio of 2.5\,$^{+2.5}_{-1.0}$, consistent with what is expected for an AGB wind. The O$^{16}$/O$^{17}$ ratio indicates that W Hya has an initial mass of about 1.5 M$_\odot$. Although the ortho- and para-H$_{2}$O lines observed by HIFI appear to trace gas of slightly different physical properties, a turbulence velocity of $0.7\pm0.1$ km s$^{-1}$ fits the HIFI lines of both spin isomers and those of $^{28}$SiO well. The ortho- and para-H$_2^{16}$O and $^{28}$SiO abundances relative to H$_{2}$ are $(6^{+3}_{-2}) imes 10^{-4}$, $(3^{+2}_{-1}) imes 10^{-4}$, and $(3.3\pm 0.8) imes 10^{-5}$, respectively. Assuming a solar silicon-to-carbon ratio, the $^{28}$SiO line emission model is consistent with about one-third of the silicon atoms being locked up in dust particles.

연구 동기 및 목표

• 이전의 CO 단일 모델을 초월하여 산소 풍부한 AGB 별 W 히드라의 풍속 구조에 대한 제약을 향상시키기 위해.
• 포괄적인 H2O 및 28SiO 선 세트를 이용해 분자 막대 내 물리 조건과 화학 농도를 조사하기 위해.
• 옵티컬 두꺼운 H2O 및 28SiO 선 분석을 통해 기체류출의 난류 속도를 결정하기 위해.
• 이sov형 비율(16O/17O, 16O/18O)을 유도하고 이를 초기 항성 질량과 핵합성 과정과 연결하기 위해.
• 28SiO 기체상 농도와 먼지 모델 예측을 비교하여 먼지에 갇힌 규소의 비율을 평가하기 위해.

제안 방법

• 최신 기술의 복사전달 및 분자 자극 코드를 사용해 허셜의 HIFI, PACS, SPIRE 기구에서의 분자 선 방출을 모델링하였다.
• 복사전달 계산에 먼지 복사장(field)를 통합하여 선 자극 및 방출을 정확하게 모델링하였다.
• 변동하는 온도, 속도, 밀도 구조를 가진 구형 대칭 확장 풍속 모델을 사용하여 관측된 선 프로파일에 적합시켰다.
• 오르토- 및 파라-H2O 선, 그리고 28SiO 선을 동시에 피팅하여 난류 속도와 농도 비율을 제약하였다.
• H2O 및 SiO에 대해 국부 열역학적 평형(LTE)이 아닌 처리(non-LTE)를 적용하여 복사 흡수 및 선 투과율 효과를 고려했다.
• 관측된 선 강도 및 프로파일을 합성 스펙트럼과 비교하여 물리적 파라미터와 농도를 유도하였으며, 몬테카를로 샘플링을 통해 불확실성을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H2O 및 28SiO 선로 제약된 W 히드라의 분자 기체류출에서 난류 속도는 얼마인가요?
• RQ2 W Hya 막대 내 H2O 오르토-대칭 비율은 얼마이며, AGB 풍속에 대한 기대치와 일치합니까?
• RQ3 16O/17O 이sov형 비율은 얼마이며, 이는 W 히드라의 초기 항성 질량에 대해 어떤 의미를 갖나요?
• RQ4 28SiO 농도와 먼지 모델 일치성으로부터 유추된 바에 따르면, 풍속 내 규소의 몇 퍼센트가 먼지에 갇혀 있나요?
• RQ5 관측된 H2O 및 28SiO 선 프로파일이 단일 풍속 모델로 동시에 재현될 수 있으며, 이는 물리적 조건에 대해 어떤 의미를 갖나요?

주요 결과

• H2O 오르토-대칭 비율은 2.5⁺².⁵₋₁.⁰로 측정되었으며, AGB 풍속에서 예상되는 값인 3과 일치하여 기체류출 내에서 열적 평형 자극 모델을 지지한다.
• 16O/17O 비율은 1250⁺⁷⁵⁰₋⁴⁵⁰이며, 이는 W 히드라의 초기 항성 질량이 약 1.5 M⊙임을 시사한다.
• 난류 속도는 0.7±0.1 km s⁻¹로 제약되었으며, 오르토- 및 파라-H2O에 대해 약간 다른 값(각각 0.8 및 0.6 km s⁻¹)을 보였지만, 난류의 기울기를 모델링하지는 않았다.
• H2에 대한 H2O 농도는 오르토-H2O 기준 (6⁺³₋₂)×10⁻⁴, 파라-H2O 기준 (3⁺²₋₁)×10⁻⁴이며, 산소 풍부한 AGB 기체류출의 기대치와 일치한다.
• 28SiO 농도는 H2 기준 (3.3±0.8)×10⁻⁵이며, 먼지 모델과 결합하면 태양의 Si/C 비율을 가정할 경우 약 1/3의 규소가 먼지에 갇혀 있음을 시사한다.
• 16O/18O 비율은 190⁺²¹⁰₋⁹⁰이며, 이는 현재의 진화 모델과 일치하지 않으며, 예측과 조율하기 위해 태양보다 높은 금속성을 필요로 할 수 있다.