[论文解读] The 12CO/13CO ratio in AGB stars of different chemical type-Connection to the 12C/13C ratio and the evolution along the AGB

S. Ramstedt, H. Olofsson|arXiv (Cornell University)|May 25, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 56

一句话总结

本研究首次通过针对55颗不同化学类型（M型、S型和碳型）的渐近巨星支（AGB）恒星的射电谱线数据进行详细的辐射转移建模，提供了环绕恒星的12CO/13CO比值与AGB演化路径关联的观测证据。研究发现，12CO/13CO比值从M型星（中位数13）系统性增加至S型星（26）和碳星（34），且碳星的分布范围显著更广，支持碳星作为AGB演化终点的角色。

ABSTRACT

The aim of this paper is to investigate the evolution of the 12C/13C ratio along the AGB through the circumstellar 12CO/13CO ratio. This is the first time a sample including a significant number of M- and S-type stars is analysed together with a carbon-star sample of equal size, making it possible to investigate trends among the different types and establish evolutionary effects. The circumstellar 12CO/13CO abundance ratios are estimated through a detailed radiative transfer analysis of single-dish radio line emission observations. First, the 12CO radiative transfer is solved, assuming an abundance (dependent on the chemical type of the star), to give the physical parameters of the gas, i.e. mass-loss rate, gas expansion velocity, and gas temperature distribution. Then, the 13CO radiative transfer is solved using the results of the 12CO model giving the 13CO abundance. Finally, the 12CO/13CO abundance ratio is calculated. The circumstellar 12CO/13CO abundance ratio differs between the three spectral types. This is consistent with what is expected from stellar evolutionary models assuming that the spectral types constitute an evolutionary sequence; however, this is the first time this has been shown observationally for a relatively large sample covering all three spectral types. The median value of the 13CO abundance in the inner circumstellar envelope is 1.6x10^-5, 2.3x10^-5, and 3.0x10^-5 for the M-type, S-type, and carbon stars of the sample, respectively, corresponding to 12CO/13CO abundance ratios of 13, 26, and 34, respectively. Interestingly, the abundance ratio spread of the carbon stars is much larger than for the M- and S-type stars, even when excluding J-type carbon stars, in line with what could be expected from evolution on the AGB. We find no correlation between the isotopologue ratio and the mass-loss rate, as would be expected if both increase as the star evolves.

研究动机与目标

• 通过测量环绕恒星的12CO/13CO丰度比，研究12C/13C同位素比值在AGB演化过程中的演化。
• 通过比较不同类型（M型、S型和碳星）的同位素比值，检验M型、S型和碳星是否代表一个演化序列。
• 评估质量损失率对同位素比值的影响，挑战其与演化阶段存在相关性的预期。
• 评估环绕恒星的12CO/13CO比值作为恒星内在12C/13C比值示踪器的可靠性。
• 通过比较不同演化阶段的同位素比值，探讨AGB恒星与后AGB天体之间的联系。

提出的方法

• 对55颗不同化学类型的AGB恒星（M型、S型和碳型）进行了单天线射电谱线观测，覆盖多个12CO和13CO跃迁谱线。
• 采用基于蒙特卡罗方法的三维非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移代码，对环绕恒星的包层中的辐射转移进行建模。
• 自洽求解统计平衡方程和能量平衡，包括从SED中获得的热尘辐射。
• 首次对12CO发射进行建模，以推导物理参数（质量损失率、膨胀速度、温度结构），然后利用这些参数推导13CO丰度。
• 根据推导出的13CO丰度和12CO光学厚度计算12CO/13CO丰度比。
• 通过与类似代码对比，对辐射转移模型进行基准测试，以确保其可靠性和一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGB演化模型预测，环绕恒星的12CO/13CO比值是否从M型星到S型星再到碳富集AGB恒星系统性增加？
• RQ2 12CO/13CO比值是否与质量损失率相关，如若两者均随AGB演化时间单调增加，则应存在相关性？
• RQ3 AGB恒星中观测到的同位素比值与后AGB天体中的比值相比如何？这对其间演化联系有何启示？
• RQ4 观测到的12CO/13CO比值在多大程度上反映了恒星内在的12C/13C比值？是否需要详细辐射转移建模才能准确测定丰度？
• RQ5 为何碳星的12CO/13CO比值分布范围显著大于M型和S型星？

主要发现

• M型星的中位数12CO/13CO丰度比为13，S型星为26，碳星为34，支持从M型到碳星的演化序列。
• M型星、S型星和碳星的内环绕包层中13CO丰度分别为1.6 × 10⁻⁵、2.3 × 10⁻⁵和3.0 × 10⁻⁵，表明13C丰度随演化阶段系统性增加。
• 12CO/13CO比值的分布范围（以第90百分位数与第10百分位数之比衡量）分别为：M型星4，S型星3，碳星15，后者的分布更广，与AGB演化一致，且与碳星形成前12C部分上翻（dredge-up）受限有关。
• 未发现12CO/13CO比值与质量损失率之间存在显著相关性，挑战了两者均随AGB演化时间单调增加的假设。
• 通过详细辐射转移建模推导出的环绕恒星12CO/13CO比值能代表恒星内在的12C/13C比值，验证了其作为演化示踪器的有效性。
• 后AGB天体中同位素对的分布更类似于M型AGB恒星而非碳星，提示可能存在从M型恒星演化而来，或后AGB天体中更倾向于大质量前身星存在偏差。