[论文解读] The 12C/13C-ratio in cool carbon stars

F. L. Schoeier, H. Olofsson|arXiv (Cornell University)|May 17, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本研究利用毫米波13CO发射线测量了冷碳星的12C/13C比值，采用详细的非-LTE辐射转移模型校正光学厚度效应。推导出的12CO/13CO比值范围为2.5至90，与Lambert等人（1986年）的光球层值高度一致，支持其较高的同位素比值，反驳了其他相互矛盾的主张，并表明在准确建模下，包层同位素比值可可靠反映恒星的12C/13C比值。

ABSTRACT

We present observations of circumstellar millimetre-wave 13CO line emission towards a sample of 20 cool carbon stars. Using a detailed radiative transfer model we estimate the circumstellar 12CO/13CO-ratios, which we believe accurately measure the important stellar 12C/13C-ratios. For those optically bright carbon stars where it is possible, our derived 12C/13C-ratios are compared with the photospheric results, obtained with different methods. Our estimates agree well with those of Lambert et al. (1986). It is shown that a straightforward determination of the 12CO/13CO-ratio from observed line intensity ratios is often hampered by optical depth effects, and that a detailed radiative transfer analysis is needed in order to determine reliable isotope ratios.

研究动机与目标

• 解决Lambert等人（1986年）与Ohnaka & Tsuji（1996年，1999年）之间关于冷碳星12C/13C比值的冲突测量结果。
• 解决12CO发射线中由于光学厚度效应导致的简单线强度比不可靠的问题。
• 利用包层中的12CO和13CO毫米波谱线发射，通过详细的辐射转移建模，推导出准确的12C/13C比值。
• 验证包层12CO/13CO比值在10²至10³年时间尺度内可作为恒星12C/13C比值的可靠代理。
• 评估结果与CNO循环核合成及质量损失历史的理论预期是否一致。

提出的方法

• 使用瑞典-ESO亚毫米波望远镜、欧松拉20米望远镜和NRAO 12米望远镜观测了20颗冷碳星的13CO谱线发射。
• 应用非-LTE辐射转移代码，对包层中12CO和13CO的激发与发射进行建模。
• 采用Mamon等人（1988年）提供的12CO和13CO分子丰度分布，考虑光致离解与化学同位素分馏效应。
• 利用多跃迁线数据校准模型，并调整质量损失率、膨胀速度和温度结构等参数。
• 通过详细能级分布与线轮廓求解辐射转移方程，校正12CO谱线中的光学厚度效应。
• 将包层12CO/13CO比值与Lambert等人（1986年）及Ohnaka & Tsuji（1996年）的光球层值进行比较，以评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光球层分析与包层分析结果相互矛盾的背景下，冷碳星的真实12C/13C比值是多少？
• RQ2 12CO谱线中的光学厚度效应如何导致简单强度比方法产生偏差？是否可通过辐射转移建模加以校正？
• RQ3 在10²至10³年时间尺度内，包层12CO/13CO比值能否可靠反映恒星的本征12C/13C比值？
• RQ4 推导出的12CO/13CO比值是否支持Lambert等人（1986年）报告的较高数值，还是支持Ohnaka & Tsuji（1996年）的较低数值？
• RQ5 J型星与高质损率星（如IRAS 15194-5115）的12C/13C比值是否与CNO循环核合成预测一致？

主要发现

• 通过详细辐射转移建模推导出的包层12CO/13CO比值范围为2.5至90，其中大多数值位于10至90之间。
• 推导出的12CO/13CO比值与Lambert等人（1986年）的光球层12C/13C比值高度一致，支持其较高的同位素比值。
• 简单强度比方法不可靠，因12CO谱线中存在强烈的光学厚度效应，尤其在高质损率星中更为显著。
• 光学厚度校正至关重要；本研究发现，包层12CO/13CO比值比Greaves & Holland（1997年）报告的高出近一倍。
• R Reticulii和S Sculptoris中的分离壳层显示12CO/13CO比值与当前光球层值一致，表明在约10³至10⁴年内未发生显著成分变化。
• J型星与IRAS 15194-5115的12C/13C比值与CNO循环预测一致，IRAS 15194-5115可能接近3.5 M☉的热底燃烧阈值。