[论文解读] Probing the mass-loss history of AGB and red supergiant stars from CO rotational line profiles I. Theoretical model -- Mass-loss history unravelled in VY CMa

L. Decin, S. Hony+4 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 13, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 66被引用 99

一句话总结

本文提出了一种非-LTE辐射转移代码，用于建模CO转动谱线轮廓，以重建AGB星和红超巨星的质量损失历史。应用于VY CMa时，揭示了约1000年前发生的持续约100年的高质质量损失事件，质量损失速率为~3.2×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹，此前800年为低质量损失期（~1×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹），当前质量损失速率为~8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹。

ABSTRACT

Context: Mass loss plays a dominant role in the evolution of low mass stars while they are on the Asymptotic Giant Branch (AGB). The gas and dust ejected during this phase are a major source in the mass budget of the interstellar medium. Recent studies have pointed towards the importance of variations in the mass-loss history of such objects. Aims: By modelling the full line profile of low excitation CO lines emitted in the circumstellar envelope, we can study the mass-loss history of AGB stars. Methods: We have developed a non-LTE radiative transfer code, which calculates the velocity structure and gas kinetic temperature of the envelope in a self-consistent way. The resulting structure of the envelope provides the input for the molecular line radiative calculations which are evaluated in the comoving frame. The code allows for the implementation of modulations in the mass-loss rate. This code has been benchmarked against other radiative transfer codes and is shown to perform well and efficiently. Results: We illustrate the effects of varying mass-loss rates in case of a superwind phase. The model is applied to the well-studied case of VY CMa. We show that both the observed integrated line strengths as the spectral structure present in the observed line profiles, unambiguously demonstrate that this source underwent a phase of high mass loss (~ 3.2E-4 Msun/yr) some 1000 yr ago. This phase took place for some 100 yr, and was preceded by a low mass-loss phase (~ 1E-6 Msun/yr) taking some 800 yr. The current mass-loss rate is estimated to be in the order of 8E-5 Msun/yr. Conclusions: In this paper, we demonstrate that both the relative strength of the CO rotational line profiles and the (non)-occurrence of spectral structure in the profile offer strong diagnostics to pinpoint the mass-loss history.

研究动机与目标

• 开发一种非-LTE辐射转移代码，自洽地模拟包层中的速度结构、动能温度和分子谱线辐射。
• 利用CO转动谱线作为诊断工具，研究AGB星和红超巨星的时变质量损失历史。
• 在VY CMa上测试该模型，VY CMa是一颗研究较充分的红超巨星，具有复杂的星云结构。
• 确定谱线形状和强度是否能唯一约束过去的质量损失率，包括爆发事件。
• 与现有模型进行对比，验证该代码的准确性和效率。

提出的方法

• 该代码求解包层中气体动力学的能量和动量方程，包括加热和冷却过程。
• 自洽计算动能温度结构，考虑尘埃-气体耦合、辐射加热以及CO转动跃迁的冷却。
• 在随动参考系中使用非-LTE能级分布计算分子谱线辐射，涵盖至J=7–6的CO转动跃迁。
• 模型允许质量损失率随时间变化，从而可模拟爆发性或调制型质量损失。
• 通过与现有辐射转移代码对比，验证该代码的性能和准确性。
• 将该模型应用于VY CMa的多条CO谱线轮廓观测（J=1–0至J=7–6）

实验结果

研究问题

• RQ1 CO转动谱线轮廓能否唯一约束AGB星和红超巨星的时变质量损失历史？
• RQ2 为重现VY CMa中观测到的CO谱线形状，需要何种物理条件（温度、速度结构）？
• RQ3 VY CMa在过去是否经历过高质质量损失事件？若存在，其持续时间和速率如何？
• RQ4 质量损失率的变化如何影响CO谱线的相对强度和谱线结构？
• RQ5 VY CMa中观测到的星云形态是否与谱线轮廓分析推断的质量损失历史一致？

主要发现

• VY CMa约1000年前经历了一次高质质量损失事件，质量损失速率为~3.2×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹，持续约100年。
• 此次高质质量损失阶段之前为800年的低质量损失期，速率约为~1×10⁻⁶ M⊙ yr⁻¹。
• 当前质量损失速率估计为~8×10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹，显著低于峰值事件的速率。
• 模型表明，CO谱线的相对强度以及谱线结构（如双峰特征）是过去质量损失变化的强有力诊断指标。
• 推导出的质量损失历史与哈勃望远镜和近红外观测结果一致，后者显示在恒星1′′–7′′范围内存在星云弧状结构和凝聚体。
• 结果表明，假设质量损失恒定将导致对恒星演化历史的显著不完整理解。