[论文解读] Analysis of chemical abundances in planetary nebulae with [WC] central stars. I. Line intensities and physical conditions

J. García–Rojas, M. Peña+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 46被引用 32

一句话总结

本研究基于拉斯卡姆panyas天文台MIKE光谱仪获取的深度数据，对迄今最广泛的12个[WC]型行星状星云进行了高分辨率光谱分析。通过碰撞激发线（CELs）、光学重组线（ORLs）和帕邢连续谱，建立了可靠的物理条件——温度与电子密度。其中，Tₑ([O iii])和nₑ([Cl iii])分别被选为电离区和致密区域的关键诊断工具。

ABSTRACT

(Abridged) Planetary nebulae (PNe) around Wolf-Rayet [WR] central stars ([WR]PNe) constitute a particular photoionized nebula class that represents about 10% of the PNe with classified central stars. We analyse deep high-resolution spectrophotometric data of 12 [WR]PNe. This sample represents the most extensive analysed so far, at such high spectral resolution. We aim to select the optimal physical conditions in the PNe to be used in ionic abundance calculations that will be presented in a forthcoming paper. We acquired spectra at LCO with the 6.5-m telescope and the MIKE spectrograph, covering a wavelength range from 3350 to 9400 A. The spectra were exposed deep enough to detect, with signal-to-noise ratio higher than three, the weak ORLs of OII, CII, and other species. We detect and identify about 2980 emission lines, which, to date, is the most complete set of spectrophotometric data published for this type of objects. From our deep data, numerous diagnostic line ratios for Te and Ne are determined from CELs, ORLs, and continuum measurements. Densities are closely described by the average of all determined values for objects with ne<10^4 cm-3, and by ne([Cl III]) for the densest objects. For Te, we adopt a three-zone ionization scheme, where the low ionization zone is characterized by Te([NII]), the medium ionization zone by Te([OIII]) and the highest ionization one by Te([ArIV]) when available. We compute Te from the HI Paschen discontinuity and from HeI lines. We do not find evidences of the presence of low-temperature, high-density clumps in our [WR]PNe from the analysis of faint O II and N II plasma diagnostics. The behaviour of Te([OIII])/Te([NII]) being very low for high ionization degrees can be reproduced by a set of combined matter-bounded and radiation-bounded models, however, for the lowest temperature ratios, too high metallicity seem required.

研究动机与目标

• 利用高分辨率测光法确定[WC]型中心恒星行星状星云中最可靠的物理条件（Tₑ和nₑ）。
• 通过识别最优温度与密度诊断工具，解决离子丰度计算中的差异。
• 评估温度涨落模型的有效性，并通过微弱的ORLs探测潜在的低温、高密度团块。
• 评估基于H i帕邢跃迁和He i线测得的Tₑ与基于CELs的Tₑ之间的一致性。
• 检验物质与辐射共同受限的模型是否能重现高电离区中观测到的Tₑ比值。

提出的方法

• 利用拉斯卡姆panyas天文台6.5米望远镜上的MIKE光谱仪，获取了波长范围3350–9400 Å的深度高分辨率光谱。
• 测量了2980条发射线的流量，包括S/N > 3的O ii和C ii微弱光学重组线（ORLs）。
• 利用来自[N ii]、[O iii]和[Ar iv]的CELs，以及H i帕邢跃迁和He i线，计算电子温度（Tₑ）。
• 通过[Cl iii]、[Ar iv]及其他离子的诊断线比值确定电子密度（nₑ），其中[Cl iii]用于最致密区域。
• 应用三区电离模型：Tₑ([N ii])用于低电离区，Tₑ([O iii])用于中等电离区，Tₑ([Ar iv])用于高电离区（若可用）。
• 使用c(Hβ) = 1.80 ± 0.09进行消光校正，并通过标准星观测进行流量定标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在[WC]型行星状星云中，哪些Tₑ和nₑ诊断工具能提供最一致且可靠的物理条件？
• RQ2 基于H i帕邢跃迁和He i线测得的Tₑ值与基于碰撞激发线（CELs）测得的Tₑ值相比如何？
• RQ3 基于微弱的O ii和N ii重组线比值，是否存在[WC]型行星状星云中低温、高密度团块的证据？
• RQ4 观测到的Tₑ([O iii])/Tₑ([N ii])比值是否与物质与辐射共同受限的光致电离模型预测一致？
• RQ5 考虑到Tₑ(H i)和Tₑ(He i)的不确定性，温度涨落对这些星云中推导出的离子丰度有何影响？

主要发现

• 对于电子密度，当nₑ < 10⁴ cm⁻³时，采用所有nₑ值的平均值最为合适；而对于最致密星云，则使用nₑ([Cl iii])。
• 对于温度，当可用时，Tₑ([N ii])表征低电离区，Tₑ([O iii])表征中等电离区，Tₑ([Ar iv])表征最高电离区。
• 基于帕邢跃迁测得的Tₑ(H i)通常与基于CELs的Tₑ值一致，但存在较大不确定性。
• Tₑ(He i)系统性地低于基于CELs的Tₑ值，提示温度涨落范式可能存在矛盾。
• 基于O ii和N ii诊断，未发现低温、高密度团块的有力证据，尽管大多数天体的不确定性占主导地位。
• 观测到的Tₑ([O iii])/Tₑ([N ii])比值与物质与辐射共同受限模型一致，但最小比值需要异常高的金属量。