[论文解读] Nucleosynthesis in AGB stars traced by oxygen isotopic ratios. I - Determining the stellar initial mass by means of the $^{17}$O/$^{18}$O ratio

R. De Nutte, L. Decin+9 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Jun 23, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 46被引用 13

一句话总结

本研究利用九颗AGB星的毫米波段CO同位素体观测所得的原行星盘17O/18O比值，推断其初始恒星质量。该比值是可靠的恒星质量示踪剂，因为在质量低于5 M⊙的恒星中，该比值在热脉动AGB阶段保持恒定，从而可对七颗源星实现精确的初始质量估计，其中两颗恒星显示出双峰解，倾向于较低质量。结果表明，在17O/18O–脉动周期平面中，M/S型与C型恒星之间可能存在差异，但需更大样本量以确认此趋势。

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the $^{17}$O/$^{18}$O ratio for a sample of AGB stars, containing M-, S- and C-type stars. These ratios are evaluated in relation to fundamental stellar evolution parameters: the stellar initial mass and pulsation period. Circumstellar $^{13}$C$^{16}$O, $^{12}$C$^{17}$O and $^{12}$C$^{18}$O line observations were obtained for a sample of nine stars with various single-dish long-wavelength facilities. Line intensity ratios are shown to relate directly to the surface $^{17}$O/$^{18}$O abundance ratio. Stellar evolution models predict the $^{17}$O/$^{18}$O ratio to be a sensitive function of initial mass and to remain constant throughout the entire TP-AGB phase for stars initially less massive than 5\,$M_{\odot}$. This makes the measured ratio a probe of the initial stellar mass. Observed $^{17}$O/$^{18}$O ratios are found to be well in the range predicted by stellar evolution models that do not consider convective overshooting. From this, accurate initial mass estimates are calculated for seven sources. For the remaining two sources two mass solutions result, though with a larger probability that the low-mass solution is the correct one. Finally, hints at a possible separation between M/S- and C-type stars when comparing the $^{17}$O/$^{18}$O ratio to the stellar pulsation period are presented.

研究动机与目标

• 利用17O/18O同位素比值作为核合成过程的探针，确定AGB星的初始质量。
• 检验17O/18O比值是否如模型预测的那样在热脉动AGB阶段保持恒定，从而使其成为可靠的恒星质量指示器。
• 调查M/S型与C型AGB星之间同位素比值的系统性差异，可能与演化状态或脉动特性相关。
• 通过与恒星演化模型比较，评估包层对流过冲及其他混合过程对观测到的17O/18O比值的影响。
• 探索17O/18O比值与脉动周期之间的相关性，作为星族合成与演化序列的潜在诊断工具。

提出的方法

• 利用单镜射电望远镜（APEX、IRAM 30m、CSO）在长波段观测了原行星盘中的13C16O、12C17O和12C18O谱线强度。
• 通过辐射转移建模与同位素丰度标度，将谱线强度比值转换为表面17O/18O丰度比值。
• 采用包含与不包含对流过冲的恒星演化模型，预测17O/18O比值随初始质量与金属度的变化关系。
• 通过将观测到的17O/18O比值与模型预测值匹配，推断初始质量，假设在质量小于5 M⊙的恒星中，该比值在TP-AGB阶段保持恒定。
• 从文献中获取脉动周期，并用于探索其与同位素比值的相关性，以检验演化序列的预期。
• 应用统计分析评估17O/18O–周期平面中观测趋势的显著性，考虑小样本统计与选择偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGB星中的17O/18O比值能否作为初始恒星质量的可靠示踪剂？
• RQ2 17O/18O比值是否如模型预测的那样在热脉动AGB阶段保持恒定？
• RQ3 M/S型与C型AGB星之间是否存在17O/18O比值的系统性差异，其成因可能是什么？
• RQ4 17O/18O比值与脉动周期之间是否存在可测量的相关性，其对恒星演化或选择效应意味着什么？
• RQ5 对流过冲及其他混合过程如何影响预测的17O/18O比值，能否通过观测约束这些过程？

主要发现

• 七颗AGB星的观测17O/18O比值落在不包含对流过冲的模型预测范围内，支持该比值作为质量示踪剂的有效性。
• 基于观测17O/18O比值与模型预测的匹配，对七颗恒星实现了高精度的初始质量估计。
• 对于χ Cyg和V384 Per，存在两个质量解，但低质量解在统计上更可能，提示这些情况下可能存在质量退化现象。
• 在17O/18O–脉动周期平面中，M/S型与C型恒星之间出现初步分离，C型星位于更长周期区域，但因样本量小，该趋势尚未达到统计显著性。
• 统计分析表明，恒星在17O/18O–周期图中沿趋势线排列并非随机抽样所致，M/S星的p值为19.6%，C星为9.3%，提示存在真实存在的潜在模式。
• 本研究强调，需更大样本量及多分子分析，以确认潜在的演化趋势，并减少同位素比值研究中的选择偏差。