[论文解读] Molecular line study of the S-type AGB star W Aquilae. ALMA observations of CS, SiS, SiO and HCN

M. Brunner, T. Danilovich+6 more|Lirias (KU Leuven)|Jun 5, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用 5

一句话总结

本研究利用高分辨率ALMA观测，对S型渐近巨星支星W Aquilae的包层中CS、SiS、30SiS、29SiO和H13CN的径向同位素分布进行建模。通过解析发射结构并拟合空间分辨的可见度数据，发现29SiO和H13CN等稀有同位素体的e-折叠半径比以往假设更大，从而改进了对S型恒星化学演化与星风动力学的约束。

ABSTRACT

Context. With the outstanding spatial resolution and sensitivity of the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA), molecular gas other than the abundant CO can be observed and resolved in circumstellar envelopes (CSEs) around evolved stars, such as the binary S-type Asymptotic Giant Branch (AGB) star W Aquilae. Aims. We aim to constrain the chemical composition of the CSE and determine the radial abundance distribution, the photospheric peak abundance, and isotopic ratios of a selection of chemically important molecular species in the innermost CSE of W Aql. The derived parameters are put into the context of the chemical evolution of AGB stars and are compared with theoretical models. Methods. We employ one-dimensional radiative transfer modeling - with the accelerated lambda iteration (ALI) radiative transfer code - of the radial abundance distribution of a total of five molecular species (CS, SiS, 30SiS, 29SiO and H13CN) and determine the best fitting model parameters based on high-resolution ALMA observations as well as archival single-dish observations. The additional advantage of the spatially resolved ALMA observations is that we can directly constrain the radial profile of the observed line transitions from the observations. Results. We derive abundances and e-folding radii for CS, SiS, 30SiS, 29SiO and H13CN and compare them to previous studies, which are based only on unresolved single-dish spectra. Our results are in line with previous results and are more accurate due to resolution of the emission regions.

研究动机与目标

• 约束W Aquilae包层内关键分子物种（CS、SiS、30SiS、29SiO、H13CN）的径向丰度分布。
• 利用空间分辨的ALMA数据，确定这些物种的光球层峰值丰度与同位素比值。
• 通过整合解析的发射轮廓与不对称性，改进辐射转移建模，减少对先前假设的依赖。
• 将观测到的丰度分布与理论预测及以往单镜面研究进行比较，提升化学演化建模的准确性。
• 探讨同位素比值（如12C/13C）对AGB恒星演化与风驱动机制的启示。

提出的方法

• 采用一维辐射转移建模，使用加速λ迭代（ALI）代码拟合观测到的谱线轮廓。
• 利用uv平面上的高分辨率ALMA可见度数据，直接约束分子谱线的径向发射分布。
• 将ALMA数据与档案中的单镜面观测结合，以提高信噪比与光谱覆盖范围。
• 测试两种模型构型：一种为平滑外流模型，另一种增加一个位于相同位置的δ函数过密区，以解释不对称性。
• 采用χ²最小化方法拟合模型与可见度数据，推导出最佳拟合参数，包括e-折叠半径与丰度。
• 将同位素体丰度分布（如29SiO、H13CN）与主同位素体（28SiO、H12CN）进行比较，评估其径向分布的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 W Aquilae包层中CS、SiS、30SiS、29SiO与H13CN的径向丰度分布与以往单镜面研究相比如何？
• RQ2 29SiO与H13CN同位素体的真实e-折叠半径是多少？它们与主同位素体相比有何不同？
• RQ3 分子发射中的空间不对称性（如沿双星轨道方向的拉长）在多大程度上影响了丰度分布的解释？
• RQ4 基于H12CN/H13CN谱线强度比，W Aquilae中推导出的12C/13C比值是多少？与CO同位素体测得的值相比如何？
• RQ5 在辐射转移模型中引入过密区成分是否能显著改善对ALMA可见度数据的拟合？

主要发现

• ALMA观测解析了CS、SiS、30SiS、29SiO与H13CN的发射，揭示出被弱不对称发射包围的紧凑高斯成分，这些不对称发射可能与双星轨道对齐。
• 在与高斯成分相同位置增加一个额外的δ函数发射成分，能显著改善对ALMA uv数据的拟合，表明外流中存在局域的过密区。
• 29SiO与H13CN同位素体的e-折叠半径大于以往假设值，其径向丰度分布与28SiO和H12CN不同，挑战了以往建模中的假设。
• 推导出的H12CN/H13CN比值为17 ± 6，暗示12C/13C比值约为17，低于以往CO同位素体估算的26–29，提示同位素比值追踪可能存在差异。
• 所有五种物种的径向丰度分布与以往研究一致，但因空间分辨率提高，约束更为精确，模型退化性降低。
• 本研究证明，空间分辨的ALMA数据可直接测量发射尺寸与径向轮廓，减少对假设函数形式的依赖，提升模型独立性。