[论文解读] The mass-loss return from evolved stars to the Large Magellanic Cloud V. The GRAMS carbon-star model grid

S. Srinivasan, B. A. Sargent+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 66被引用 49

一句话总结

本论文提出了GRAMS碳星模型网格，针对大麦哲伦星云中的碳富集渐近巨星支（AGB）恒星，利用二维ust辐射转移代码模拟具有不同光度、质量损失率和尘埃性质的尘埃壳层。该模型成功再现了来自SAGE和SAGE-Spec巡天的观测SED、测光和光谱数据，使得在一致的物理假设下，能够对大规模恒星样本准确推导出光度和质量损失率。

ABSTRACT

The total dust return rate from AGB and RSG star outflows is an important constraint to galactic chemical evolution models. However, this requires detailed radiative transfer (RT) modeling of individual stars, which becomes impractical for large data sets. Another approach is to select the best-fit spectral energy distribution (SED) from a grid of dust shell models, allowing for a faster determination of the luminosities and mass-loss rates for entire samples. We have developed the Grid of RSG and AGB ModelS (GRAMS) to measure the mass-loss return from evolved stars. The models span the range of stellar, dust shell and grain properties relevant to evolved stars. In this paper we present the carbon-star grid and compare our results with data of Large Magellanic Cloud (LMC) carbon stars from the SAGE and SAGE-Spec programs. We generate spherically symmetric dust shell models using the 2Dust code, with hydrostatic models for the central stars. We explore five values of the inner radius R_in of the dust shell (1.5, 3, 4.5, 7 and 12 R_star). We use amorphous carbon dust mixed with 10% silicon carbide by mass. The grain sizes follows a KMH distribution. The models span 26 values of 11.3 um optical depth, ranging from 0.001 to 4. For each model, 2Dust calculates the output SED from 0.2 to 200 um. Over 12,000 models have dust temperatures below 1800 K. The GRAMS synthetic photometry is in good agreement with SAGE photometry for LMC carbon-rich and extreme AGB star candidates, as well as spectroscopically confirmed carbon stars from the SAGE-Spec study. Our models reproduce the IRAC colors of most of the extreme AGB star candidates, consistent with the expectation that a majority of these enshrouded stars have carbon-rich dust. Finally, we fit the SEDs of some well-studied carbon stars and compare the resulting luminosities and mass-loss rates with those from previous studies.

研究动机与目标

• 开发一种快速、物理解释一致的方法，仅基于测光数据估算演化后期恒星的质量损失率与光度。
• 构建一组针对碳富集AGB恒星的辐射转移模型网格，包含真实尘埃壳层特性。
• 利用SAGE与SAGE-Spec巡天的观测SED与测光数据，对模型网格进行验证。
• 实现对大麦哲伦星云等星系中演化恒星质量损失返回的规模化分析。
• 为科学界提供一个公开可访问的模型数据库，供应用于测光星表的分析。

提出的方法

• 使用二维ust辐射转移代码计算球对称尘埃壳层在AGB恒星周围的SED。
• 恒星光球温度范围为2600 K至4000 K，光度范围为2000至40000 L⊙。
• 尘埃壳层外半径固定为内半径的1000倍，内半径取五个值（1.5–12 R⋆），并假设恒定膨胀速度。
• 假设非晶态碳尘埃与10%（按质量计）的SiC混合，尘埃粒径分布为幂律分布，并在大尺寸处具有指数截断。
• 11.3 μm光学深度在0.001至4之间变化，共26个取值，覆盖广泛的尘埃柱密度范围。
• 在光学、近红外与中红外波段的滤波器中计算合成测光，以便与SAGE和SAGE-Spec数据直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 模型网格能否准确再现大麦哲伦星云中碳富集AGB恒星的观测SED？
• RQ2 GRAMS模型预测与SAGE与SAGE-Spec巡天的测光及光谱数据匹配程度如何？
• RQ3 该模型网格在仅使用测光数据的情况下，能否可靠地反演光度与质量损失率？
• RQ4 GRAMS网格反演的质量损失率与针对特定恒星进行详细单体建模的结果相比如何？
• RQ5 该模型网格是否可用于在极高光度区域区分碳富集与氧富集AGB恒星？

主要发现

• GRAMS模型网格成功再现了大麦哲伦星云中极端AGB恒星候选体的IRAC颜色，支持多数为碳富集恒星的结论。
• 对于OGLE LMC LPV 28579，最佳拟合GRAMS模型给出的光度为6170 L⊙，τ₁₁.₃ = 0.3，尘埃质量损失率为2.4×10⁻⁹ M⊙ yr⁻¹，与论文III中详细建模结果高度一致。
• GRAMS拟合得到的光度与详细SED建模结果一致，对已充分研究的恒星，差异仅几个百分点。
• GRAMS网格对van Loon等人样本的质量损失率推导结果与原始值高度一致；而对Groenewegen等人样本的结果则低约2至4倍，可能源于尘埃性质假设的差异。
• 该模型网格中超过12,000个模型的尘埃温度低于1800 K，覆盖尘埃质量损失率10⁻¹²至10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹和光学深度0.001至4的范围。
• 整个GRAMS模型网格（包括合成光谱与测光）已通过STScI的2D ust网站向公众开放，供大规模演化恒星研究使用。