[论文解读] The extended molecular envelope of the asymptotic giant branch star $π^{1}$ Gruis as seen by ALMA I. Large-scale kinematic structure and CO excitation properties

Lam Doan, S. Ramstedt+9 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Sep 27, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用 16

一句话总结

本研究利用ALMA和多波段观测，对S型渐近巨星支星π¹ Gruis的星周包层（CSE）的三维运动学结构进行建模，揭示出一个环状-双极喷流系统。最佳拟合模型识别出三个组分——膨胀的环状结构、中心喷流和快速双极喷流，得出质量损失速率为7.7 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，并证实喷流存在动量过剩（约20倍辐射压力），表明存在非辐射加速机制。

ABSTRACT

The S-type asymptotic giant branch (AGB) star $π^{1}$ Gruis has a known companion at a separation of $\approx$400 AU. The envelope structure, including an equatorial torus and a fast bipolar outflow, is rarely seen in the AGB phase and is particularly unexpected in such a wide binary system. Therefore a second, closer companion has been suggested, but the evidence is not conclusive. The new ALMA $^{12}$CO and $^{13}$CO $J$=3-2 data, together with previously published $^{12}$CO $J$=2-1 data from the Submillimeter Array (SMA), and the $^{12}$CO $J$=5-4 and $J$=9-8 lines observed with Herschel/Heterodyne Instrument for the Far-Infrared (HIFI), is modeled with the 3D non-LTE radiative transfer code SHAPEMOL. The data analysis clearly confirms the torus-bipolar structure. The 3D model of the CSE that satisfactorily reproduces the data consists of three kinematic components: a radially expanding torus with velocity slowly increasing from 8 to 13 km s$^{-1}$ along the equator plane; a radially expanding component at the center with a constant velocity of 14 km s$^{-1}$; and a fast, bipolar outflow with velocity proportionally increasing from 14 km s$^{-1}$ at the base up to 100 km s$^{-1}$ at the tip, following a linear radial dependence. The results are used to estimate an average mass-loss rate during the creation of the torus of 7.7$ imes$10$^{-7}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$. The total mass and linear momentum of the fast outflow are estimated at 7.3$ imes$10$^{-4}$ M$_{\odot}$ and 9.6$ imes$10$^{37}$ g cm s$^{-1}$, respectively. The momentum of the outflow is in excess (by a factor of about 20) of what could be generated by radiation pressure alone, in agreement with recent findings for more evolved sources. The best-fit model also suggests a $^{12}$CO/$^{13}$CO abundance ratio of 50. Possible shaping scenarios for the gas envelope are discussed

研究动机与目标

• 利用高分辨率ALMA数据重建π¹ Gruis星周包层（CSE）的三维运动学结构。
• 通过辐射转移建模约束CSE中的密度和温度分布。
• 在双星相互作用的背景下，研究非球形形态的成因，特别是赤道环状结构和快速双极喷流的形成机制。
• 估算环状结构形成期间的质量损失速率以及快速喷流的动量，以评估其驱动力机制。
• 确定12CO/13CO的丰度比，并评估不对称CSE的形貌形成情景。

提出的方法

• 获取了高灵敏度、空间分辨的ALMA-ACA 12CO J=3-2和13CO J=3-2谱线发射数据。
• 将ALMA数据与先前发表的SMA 12CO J=2-1数据以及Herschel/HIFI 12CO J=5-4和J=9-8数据结合，实现多谱线约束。
• 采用三维非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移代码SHAPEMOL，对具有非球形和运动学上独立的组分的CSE进行建模。
• 通过拟合模型到观测到的谱线轮廓、通道图和位置-速度图，推导出物理参数。
• 通过比较喷流动量与辐射压力，推断其加速机制。
• 通过模型拟合观测谱线强度，约束12CO/13CO的丰度比。

实验结果

研究问题

• RQ1 π¹ Gruis星周包层的三维运动学结构是什么？其组分（环状结构、中心喷流、双极喷流）在速度和空间分布上如何不同？
• RQ2 环状结构形成期间的质量损失速率是多少？与当前的质量损失速率相比如何？
• RQ3 快速双极喷流的动量是多少？是否超过仅由辐射压力所能解释的范围？
• RQ4 CSE中12CO/13CO的丰度比是多少？它对化学成分和建模假设意味着什么？
• RQ5 哪些最可能的物理机制（如双星相互作用、磁场）负责形成观测到的环状结构和双极喷流？

主要发现

• 三维辐射转移模型成功再现了观测到的谱线轮廓、通道图和位置-velocity图，证实了CSE具有复杂且非球形的结构。
• CSE最合理的模型为三个运动学组分：沿赤道方向速度从8 km s⁻¹增加至13 km s⁻¹的径向膨胀环状结构，中心组分以14 km s⁻¹的速度膨胀，以及从基底14 km s⁻¹线性增加至尖端100 km s⁻¹的快速双极喷流。
• 环状结构形成期间的质量损失速率估计为7.7 × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，与AGB风演化一致。
• 快速双极喷流的总质量为7.3 × 10⁻⁴ M☉，其线性动量为9.6 × 10³⁷ g cm s⁻¹，超过辐射压力约20倍。
• 动量过剩强烈表明仅靠辐射压力无法驱动该喷流，暗示存在额外机制，如磁场或双星相互作用。
• 最佳拟合模型得出12CO/13CO的丰度比为50，与AGB包层中的典型值一致，支持了模型的物理解释力。