[论文解读] A lambda 3mm and 1mm line survey toward the yellow hypergiant IRC +10420

G. Quintana-Lacaci, M. Agúndez+5 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用 13

一句话总结

本研究利用IRAM 30米望远镜对黄特超巨星IRC +10420进行了1毫米和3毫米波段的线谱观测，探测到22种分子，其中含氮分子显著富集。氮富集化学特征以及在3,800年期间12C/13C比值从~7下降至~3.7，表明存在活跃的热底核燃烧过程，证实了大质量演化恒星中的氮元素富集。

ABSTRACT

Our knowledge of the chemical properties of the circumstellar ejecta of the most massive evolved stars is particularly poor. We aim to study the chemical characteristics of the prototypical yellow hypergiant star, IRC +10420. For this purpose, we obtained full line surveys at 1 and 3mm atmospheric windows. We have identified 106 molecular emission lines from 22 molecular species. Approximately half of the molecules detected are N-bearing species, in particular HCN, HNC, CN, NO, NS, PN, and N2H+. We used rotational diagrams to derive the density and rotational temperature of the different molecular species detected. We introduced an iterative method that allows us to take moderate line opacities into account. We have found that IRC +10420 presents high abundances of the N-bearing molecules compared with O-rich evolved stars. This result supports the presence of a N-rich chemistry, expected for massive stars. Our analysis also suggests a decrease of the 12C/13C ratio from \gtrsim 7 to \sim 3.7 in the last 3800 years, which can be directly related to the nitrogen enrichment observed. In addition, we found that SiO emission presents a significant intensity decrease for high-J lines when compared with older observations. Radiative transfer modeling shows that this variation can be explained by a decrease in the infrared (IR) flux of the dust. The origin of this decrease might be an expansion of the dust shell or a lower stellar temperature due to the pulsation of the star.

研究动机与目标

• 研究IRC +10420周围包层的化学成分，IRC +10420是黄特超巨星的典型代表。
• 填补关于大质量演化恒星包层物质化学性质知识的空白。
• 通过测定同位素比值和分子丰度，探究如热底核燃烧等核合成过程。
• 通过分析SiO及其他分子线的变异性，推断尘埃温度和恒星光度的变化。
• 通过分析线强度趋势和尘埃通量变化，评估IRC +10420的演化状态。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜在1毫米和3毫米大气窗口进行全波段光谱线观测。
• 识别出22种分子的106条发射线，包括HCN、HNC、CN、N2H+和SiO。
• 采用迭代法进行转动能图分析，以考虑中等程度的线光学厚度效应。
• 使用辐射转移建模来解释高J阶SiO线强度的变化。
• 将观测到的线强度与早期观测结果进行对比，检测分子辐射的时变性。
• 从CO和HNC线估算12C/13C比值，校正光学厚度效应以推断同位素演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRC +10420周围包层的分子成分是什么，特别是含氮分子的特征如何？
• RQ2 从CO和HNC线得出的12C/13C同位素比值有何差异，这对包层中化学过程有何启示？
• RQ3 为何观测到的高J阶SiO线强度相比早期观测显著降低？
• RQ4 SiO线强度的下降是否与红外尘埃通量的减少有关，这对恒星演化状态有何含义？
• RQ5 观测到的分子丰度和同位素比值能否由大质量恒星中的热底核燃烧过程解释？

主要发现

• 该观测探测到22种分子，其中约一半为含氮分子，包括HCN、HNC、CN、N2H+和PN的高丰度。
• N2H+的丰度是迄今在演化恒星中测得的第二高值，表明存在强烈的氮富集化学过程。
• 在过去3,800年中，12C/13C比值从~7下降至~3.7，这一变化为真实同位素迁移，非由拟合误差引起。
• 12C/13C比值的下降与热底核燃烧过程一致，该过程在大质量恒星中将12C转化为14N。
• 高J阶SiO线强度显著低于早期观测值，而低J阶线强度变化甚微。
• SiO线强度的下降归因于恒星红外辐射通量的近期下降，可能由尘埃壳层膨胀或脉动导致的恒星温度降低引起。