[论文解读] Models of circumstellar molecular radio line emission: Mass loss rates for a sample of bright carbon stars

F. L. Schoeier, H. Olofsson|ArXiv.org|Jan 26, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用 133

一句话总结

本研究利用辐射转移与能量平衡计算，对69颗明亮碳星的原行星盘CO射电谱线辐射进行建模，以推导质量流失率、膨胀速度及温度结构。结果表明，质量流失率范围为5×10⁻⁹至2×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹，中位数为2.8×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，且发现质量流失率、脉动周期与光度之间存在强烈相关性，支持以尘埃驱动风为主、脉动起关键作用的模型。

ABSTRACT

Using a detailed radiative transfer analysis, combined with an energy balance equation for the gas, we have performed extensive modelling of circumstellar CO radio line emission from a large sample of optically bright carbon stars. We determine some of the basic parameters that characterize circumstellar envelopes (CSEs), e.g., the stellar mass loss rate, the gas expansion velocity, and the kinetic temperature structure of the gas. The derived mass loss rates span almost four orders of magnitude, from 5E-9 up to 2E-5 solar masses per year, with the median mass loss rate being 3E-7 solar masses per year. We estimate that the estimated mass loss rates are typically accurate to 50% within the adopted circumstellar model. The physical conditions prevailing in the CSEs vary considerably over such a large range of mass loss rates. Among other things, it appears that the dust-to-gas mass ratio and/or the dust properties change with the mass loss rate. We find that the mass loss rate and the gas expansion velocity are well correlated, and that both of them clearly depend on the pulsational period and (with larger scatter) the stellar luminosity. Moreover, the mass loss rate correlates weakly with the stellar effective temperature, in the sense that the cooler stars tend to have higher mass loss rates, but there seems to be no correlation with the stellar C/O-ratio. We conclude that the mass loss rate increases with increased regular pulsation and/or luminosity, and that the expansion velocity increases as an effect of increasing mass loss rate (for low mass loss rates) and luminosity.

研究动机与目标

• 通过详细的辐射转移与能量平衡建模，确定明亮碳星原行星盘（CSEs）的质量流失率、气体膨胀速度及动能温度结构。
• 通过测试结果对模型假设与观测约束的敏感性，评估质量流失率测定的可靠性。
• 通过分析与脉动周期、光度、有效温度及C/O比的相关性，探究质量流失的物理驱动力。
• 识别并表征偏离球对称性与平稳质量流失的现象，尤其关注具有分离CO壳层的恒星。
• 估算碳星对星际介质气体库的贡献，并评估其在星系化学演化中的作用。

提出的方法

• 采用球对称、平稳、恒定速度流出模型，对具有连续质量流失的原行星盘进行建模。
• 对瑞典-ESO亚毫米波望远镜、欧松拉20米望远镜及NRAO 12米望远镜获取的多跃迁CO谱线辐射数据实施辐射转移计算。
• 引入Mamon等人（1988年）的光致解离模型，以考虑外层包层中紫外辐射对CO的破坏作用。
• 利用CO(1→0)观测的径向亮度分布约束包层大小与密度结构，检验r⁻²密度律的适用性。
• 结合观测约束（多谱线数据、径向分布）与理论建模，推导质量流失率与气体温度分布。
• 通过将模型结果与观测到的温度结构及质量流失趋势对比，评估尘气质量比与尘埃性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于CO射电谱线辐射建模，本研究样本中明亮碳星的质量流失率、膨胀速度与温度结构为何？
• RQ2 碳星的质量流失率与脉动周期、光度、有效温度及C/O比之间存在何种相关性？
• RQ3 观测到的径向亮度分布与r⁻²密度律偏离程度如何，是否表明存在时变质量流失或非球对称性？
• RQ4 碳星对星际介质气体返回的贡献如何？极端源与典型源相比有何差异？
• RQ5 为何部分恒星（如具有分离CO壳层者）难以被标准平稳风模型良好拟合？

主要发现

• 样本中质量流失率范围为∼5×10⁻⁹ M☉ yr⁻¹至∼2×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹，中位数为2.8×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，表明在约3×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹附近存在狭窄的峰值分布。
• 质量流失率与脉动周期及恒星光度呈强烈相关性，与有效温度呈微弱趋势，表明较冷恒星通常具有更高的质量流失率。
• 气体膨胀速度随质量流失率（低速率时）与光度增加而上升，支持以尘埃驱动风为主、脉动为关键驱动力的机制。
• 未发现质量流失率与恒星C/O比之间存在显著相关性，表明C/O丰度并非直接影响这些恒星质量流失的直接控制因素。
• 五颗恒星表现出分离的CO壳层，表明曾发生过质量流失增强事件；其当前质量流失率较低，且壳层质量随年龄增加，暗示重现周期约为∼10⁵年。
• 在所采用假设下，模型拟合通常准确度在±50%以内；径向亮度分布的偏差表明少数情况下存在时变质量流失或非球对称几何结构。