[论文解读] Properties of detached shells around carbon stars: Evidence of interacting winds

F. L. Schoeier, M. Lindqvist+1 more|ArXiv.org|Mar 10, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 50

一句话总结

本研究对碳星周围孤立分子壳层的CO谱线辐射和尘埃连续谱进行了辐射转移建模，为相互作用风提供了有力证据。一次短暂的高速质量损失事件（约10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹，持续约300年），随后恢复到低质量损失率（约10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹），可解释观测到的壳层运动学特征和质量分布，DR~Ser被确认为这类年轻壳层系统的最新实例。

ABSTRACT

The nature of the mechanism responsible for producing the spectacular, geometrically thin, spherical shells found around some carbon stars has been an enigma for some time. Based on extensive radiative transfer modelling of both CO line emission and dust continuum radiation for all objects with known detached molecular shells, we present compelling evidence that these shells show clear signs of interaction with a surrounding medium. The derived masses of the shells increase with radial distance from the central star while their velocities decrease. A simple model for interacting winds indicate that the mass-loss rate producing the faster moving wind has to be almost two orders of magnitudes higher (~10^-5 solar masses per year) than the slower AGB wind (a few 10^-7 solar masses per year) preceding this violent event. At the same time, the present-day mass-loss rates are very low indicating that the epoch of high mass-loss rate was relatively short, on the order of a few hundred years. This, together with the number of sources exhibiting this phenomenon, suggests a connection with He-shell flashes (thermal pulses). We report the detection of a detached molecular shell around the carbon star DR Ser, as revealed from new single-dish CO (sub-)millimetre line observations. The properties of the shell are similar to those characterising the young shell around U Cam.

研究动机与目标

• 研究观测到的碳星周围几何薄型孤立分子壳层的物理成因。
• 确定这些壳层是否由一次瞬态的高速质量损失事件与先前存在的缓慢恒星风相互作用形成。
• 利用多条CO谱线和尘埃连续谱观测，约束碳星的质量损失历史。
• 识别新的孤立壳层源，并评估此类现象在AGB星中的普遍性。
• 评估氦壳层闪光（热脉动）在驱动观测到的质量损失调制中的作用。

提出的方法

• 对R~Scl、U~Cam、V644~Sco和DR~Ser进行了单镜面CO（亚）毫米线观测，以探测并表征孤立壳层。
• 对CO谱线辐射和尘埃连续谱辐射进行辐射转移建模，以推导壳层的物理参数。
• 采用双风相互作用模型：高速、高质损率风（约10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹）与先前存在的慢速AGB风（约10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹）相互作用。
• 通过多个CO转动能级跃迁（J=1→0至J=8→7）建模壳层的运动学特征和辐射强度分布，以约束温度和柱密度。
• 将模型预测与观测到的谱线强度和空间形态进行比较，评估一致性。
• 结合尘埃反向散射光和红外数据的约束，交叉验证壳层的位置和质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了碳星周围几何薄型孤立分子壳层的形成？
• RQ2 观测到的壳层运动学特征和质量分布能否由相互作用风情景解释？
• RQ3 高速喷射事件的时标和质量损失率是多少？
• RQ4 壳层的物理性质（质量、速度、温度）如何随距中心恒星的径向距离变化？
• RQ5 壳层形成是否与AGB演化中的氦壳层闪光（热脉动）存在关联？

主要发现

• 在碳星DR~Ser周围探测到一个新的孤立分子壳层，使已知此类系统的总数达到七个。
• 所有观测源的壳层质量随距中心恒星的径向距离增加而增大，而其膨胀速度则减小。
• 数据最符合一种短暂的高速质量损失事件（约10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹）持续约300年，随后恢复到低质量损失率（约10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹）的模型。
• 相互作用风模型成功再现了多条CO跃迁线观测到的壳层形态、运动学特征和谱线强度。
• 气体动能温度是目前最不确定的参数，高-J CO跃迁为未来约束提供了最佳潜力。
• R~Scl在尘埃反向散射光与CO建模之间存在不一致，提示其质量损失历史可能有所不同，需通过干涉测量进一步研究。