[论文解读] Circumstellar molecular composition of the oxygen-rich AGB star IK~Tau: II. In-depth non-LTE chemical abundance analysis

L. Decin, E. De Beck+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 68

一句话总结

本研究对富氧S型渐近巨星支（AGB）星IK~Tau的包层中11种分子及其同位素体进行了非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移分析，利用高分辨率谱线轮廓和速度结构推导化学丰度分层分布。研究发现，其风速加速比经典模型预测得更慢，SiO和SiS的耗竭可能源于尘埃吸附；同时，SiO同位素比值异常，暗示28SiO丰度增强；而HCN和CS与非平衡模型存在偏差，可能与尘埃形成过程有关。

ABSTRACT

Aims: Little information exists on the circumstellar molecular abundance stratifications of many molecules. The aim is to study the circumstellar chemical abundance pattern of 11 molecules and isotopologs ($^{12}$CO, $^{13}$CO, SiS, $^{28}$SiO, $^{29}$SiO, $^{30}$SiO, HCN, CN, CS, SO, SO$_2$) in the oxygen-rich evolved star IK~Tau. Methods: We have performed an in-depth analysis of a large number of molecular emission lines excited in the circumstellar envelope around IK~Tau. The analysis is done based on a non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative transfer analysis, which calculates the temperature and velocity structure in a self-consistent way. The chemical abundance pattern is coupled to theoretical outer wind model predictions including photodestruction and cosmic ray ionization. Not only the integrated line intensities, but also the line shapes, are used as diagnostic tool to study the envelope structure. Results: The deduced wind acceleration is much slower than predicted from classical theories. SiO and SiS are depleted in the envelope, possibly due to the adsorption onto dust grains. For HCN and CS a clear difference with respect to inner wind non-equilibrium predictions is found, either indicating uncertainties in the inner wind theoretical modeling or the possibility that HCN and CS (or the radical CN) participate in the dust formation. The low signal-to-noise profiles of SO and CN prohibit an accurate abundance determination; the modeling of high-excitation SO$_2$ lines is cumbersome, possibly related to line misidentifications or problems with the collisional rates. The SiO isotopic ratios ($^{29}$SiO/$^{28}$SiO and $^{30}$SiO/$^{28}$SiO) point toward an enhancement in $^{28}$SiO compared to results of classical stellar evolution codes. Predictions for H$_2$O lines in the spectral range of the Herschel/HIFI mission are performed. [abbreviated]

研究动机与目标

• 研究富氧AGB星IK~Tau中11种关键分子及其同位素体的包层化学丰度分层分布。
• 解决与碳-rich包层相比，富氧包层中分子丰度缺乏观测约束的问题。
• 检验非平衡化学、尘气相互作用及光致离解在内层和外层风区的理论模型。
• 评估利用谱线轮廓和强度数据进行非-LTE辐射转移建模的可靠性。
• 为未来的Herschel/HIFI观测预测H2O发射线特征。

提出的方法

• 采用非-LTE辐射转移模型，同时求解包层中的温度、速度结构和分子激发状态。
• 模型整合了来自LAMDA和CDMS数据库的详细分子数据，包括能级、爱因斯坦A系数和碰撞速率系数。
• 利用观测光谱的谱线轮廓和积分强度作为诊断工具，约束丰度结构和风动力学。
• 将化学丰度模式与包括光致离解、宇宙射线电离和尘气反应在内的理论预测进行比较。
• 对CO、SiO、HCN、CN、CS、SO、SO2和H2O的振转跃迁进行建模，重点关注超精细分裂、l型双分和振动态激发。
• 分析中包括在必要时将碰撞速率外推至更高温度，并使用高精度线列（如Barber et al. 2006）处理H2O。

实验结果

研究问题

• RQ1 IK~Tau包层中CO、SiO、SiS、HCN、CS、CN、SO、SO2和H2O的真实化学丰度分布是什么？
• RQ2 非-LTE效应和风速加速剖面与经典AGB喷流理论相比如何？
• RQ3 SiO和SiS在多大程度上因吸附到尘埃颗粒上而耗竭？
• RQ4 为何观测到的HCN和CS谱线轮廓与内层风非平衡化学模型预测不符？
• RQ5 SiO同位素比值（29SiO/28SiO和30SiO/28SiO）对恒星核合成和演化有何影响？

主要发现

• IK~Tau的风速加速显著慢于经典AGB喷流理论的预测，表明需对动力学模型进行修正。
• SiO和SiS在包层中表现出强烈的耗竭，可能源于内层风中形成的尘埃颗粒吸附。
• 29SiO/28SiO和30SiO/28SiO同位素比值表明28SiO的丰度高于经典恒星演化模型的预测，提示可能存在核合成异常或非标准混合过程。
• HCN和CS表现出与内层风非平衡化学模型不符的谱线轮廓，可能暗示其参与了尘埃形成过程，或理论反应网络存在不确定性。
• SO和CN的信噪比较低，导致丰度测定不准确；而高激发态SO2谱线的建模受到潜在线识别错误或碰撞速率系数不准确的限制。
• 提供了Herschel/HIFI波段中H2O发射线的预测，为未来观测验证非-LTE模型提供了可能。