[论文解读] Synthetic photometry for carbon-rich giants. III. Tracing the sequence of mass-losing galactic C-type Miras

W. Nowotny, B. Aringer+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 79被引用 21

一句话总结

本研究提出了一组针对富碳Mira变星的动态、时变模型大气，自洽地模拟了脉动与尘埃驱动的风，以重现Johnson-Cousins-Glass和2MASS滤镜下的合成测光。这些模型成功追踪了银河系C型Mira变星从弱质量损失、蓝倾斜的恒星到被大量尘埃包裹、呈红色且高度变亮的演化序列，质量损失率是导致观测到的测光多样性最主要的驱动力。

ABSTRACT

With the help of model calculations we aim at reproducing the observational photometric findings for a large sample of well-characterised galactic C-type Mira variables losing mass at different rates. We used dynamic model atmospheres, describing the outer layers of C-rich Miras, which are severly affected by dynamic effects. Based on the resulting structures and under the assumptions of chemical equilibrium as well as LTE, we computed synthetic spectra and synthetic broad-band photometry (Johnson-Cousins-Glass). A set of five representative models with different stellar parameters describes a sequence from less to more evolved objects with steadily increasing mass-loss rates. This allowed us to study the significant influence of circumstellar dust on the spectral energy distributions and the (amplitudes of) lightcurves in different filters. We tested the photometric properties (mean NIR magnitudes, colours, and amplitudes) and other characteristics of the models (mass-loss rates, periods, and bolometric corrections) by comparing these with the corresponding observational data adopted from the literature. Using different kinds of diagrams we illustrate where the models are located in a supposed evolutionary sequence defined by observed C-type Mira samples. Based on comparisons of galactic targets with empirical relations derived for C stars in the Large Magellanic Cloud we discuss the relevance of metallicity and excess carbon (C--O) for the development of dust-driven winds. Having investigated the dynamic model atmospheres from different (mainly photometric) perspectives, we conclude that our modelling approach (meaning the combination of numerical method and a suitable choice of model parameters) is able to describe C-rich long-period variables over a wide range of mass-loss rates, i.e., from moderately pulsating objects without any dusty wind to highly dust-enshrouded Carbon Miras.

研究动机与目标

• 对银河系AGB相中从适度脉动、无尘的恒星到高度尘埃包裹、演化的富碳Mira变星，完整建模其质量损失演化序列。
• 研究动态大气过程——脉动与尘埃驱动风——如何共同塑造C型Mira变星的观测测光特性。
• 测试是否基于时变动力学与尘埃形成的单一、自洽的建模框架，能够重现观测到的星等、颜色和光变曲线振幅的多样性。
• 利用大麦哲伦云的实测关系，评估金属丰度和过量碳（C–O）在驱动尘埃形成与风发展中的作用。
• 通过将合成测光与多组观测数据（如CMD、双色图等）对比，验证模型的预测能力。

提出的方法

• 采用时变动态模型大气，自洽地包含富碳环境中由脉动引发的激波与尘埃形成。
• 使用五组具有不同恒星参数（光度、脉动速度、质量损失率和风膨胀速度）的代表性模型，覆盖完整的演化序列。
• 利用频率依赖的辐射转移与LTE/化学平衡假设，计算合成光谱与测光，覆盖11个波段滤镜（BVRIJHKL′M）。
• 将质量损失率作为模型动力学的输出结果，而非输入参数，确保风的自洽发展。
• 通过将合成星等、颜色、振幅与玻尔特克补正值与文献中的观测数据对比，验证模型。
• 利用多种诊断图（如$\dot{M}$ vs. $J-K$、$\Delta K$ vs. $J-K$、$K$–log$P$）将模型位置与观测到的C型Mira星族进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自洽包含尘埃形成的动态模型大气，重现银河系C型Mira变星在不同质量损失阶段的观测测光多样性？
• RQ2 脉动与尘埃驱动风如何共同影响富碳AGB星的光谱能量分布与测光变异性？
• RQ3 观测到的C型Mira序列与质量损失率的增加在多大程度上相关？该关系能否被模型定量重现？
• RQ4 通过与LMC C型星关系的对比，金属丰度和过量碳（C–O）在尘埃驱动风发展中的影响如何？
• RQ5 该模型能否在多个滤镜中同时重现平均星等、颜色与光变曲线振幅？

主要发现

• 该模型序列成功重现了银河系C型Mira变星的观测测光序列，从蓝倾斜、低振幅变星到红化严重、高振幅的变星。
• 模型在全范围质量损失率下，对观测到的近红外星等、颜色（如$J-K$）和测光振幅（$\Delta K$）均表现出良好的定量一致性。
• 作为动态建模结果导出的质量损失率$\dot{M}$，与包层消光和光变曲线振幅强烈相关，证实其作为主要演化驱动力的角色。
• 模型重现了观测到的$K$–log$P$关系与$\Delta K$ vs. $J-K$趋势，表明与观测到的周期-光度关系和颜色-振幅关系一致。
• 与静态模型相比，动态模型中引入脉动与尘埃形成显著增强了光变曲线振幅并使颜色更红，与真实Mira变星的观测一致。
• 模型表明，金属丰度与过量碳（C–O）在决定尘埃驱动风的启动与强度方面起着关键作用，该结论得到与实测LMC关系对比的支持。