[论文解读] The problematically short superwind of OH/IR stars - Probing the outflow with the 69 μm spectral band of forsterite

B. L. de Vries, J. A. D. L. Blommaert+5 more|Lirias (KU Leuven)|Nov 27, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 47被引用 20

一句话总结

本研究利用赫歇尔/PACS对14颗OH/IR星在69 μm处的结晶橄榄石光谱特征进行观测，以探究其超风的空间范围和温度。观测到的谱带特性表明，超风在几何上是紧凑的（R_SW ≤ 2500 AU），意味着其开始至今的时标小于1200年，这引发了一个质量损失演化难题：如此短暂、高率的超风无法解释大质量前体星为离开AGB阶段所必需的总质量损失。

ABSTRACT

Spectra of OH/IR stars show prominent spectral bands of crystalline olivine (Mg$_{(2-2x)}$Fe$_{(2x)}$SiO$_{4}$). To learn more about the timescale of the outflows of OH/IR stars, we study the spectral band of crystalline olivine at 69 μm. The 69 μm band is of interest because its width and peak wavelength position are sensitive to the grain temperature and to the exact composition of the crystalline olivine. With Herschel/PACS, we observed the 69 μm band in the outflow of 14 OH/IR stars. By comparing the crystalline olivine features of our sample with those of model spectra, we determined the size of the outflow and its crystalline olivine abundance. The temperature indicated by the observed 69 μm bands can only be reproduced by models with a geometrically compact superwind ($R_{ m{SW}}\lesssim$ 2500 AU = 1400 R$_{*}$).This means that the superwind started less than 1200 years ago (assuming an outflow velocity of 10 km/s). The small amount of mass lost in one superwind and the high progenitor mass of the OH/IR stars introduce a mass loss and thus evolutionary problem for these objects, which has not yet been understood.

研究动机与目标

• 利用69 μm结晶橄榄石特征，研究OH/IR星中超风的空间范围和动力学时标。
• 解决大质量OH/IR星在超风持续时间极短的条件下，如何损失足够质量以离开AGB阶段的演化悖论。
• 确定观测到的超风是否为唯一的质量损失阶段，还是多期超风事件序列的一部分。
• 检验69 μm谱带是否可作为氧-rich AGB星中尘粒温度和喷流几何结构的诊断工具。
• 评估先前发射的超风是否可通过该光谱特征探测到，若未探测到，是否意味着存在缺失的演化阶段。

提出的方法

• 利用赫歇尔/PACS仪器对14颗OH/IR星的69 μm结晶橄榄石光谱带进行观测。
• 将观测到的谱带轮廓（峰值波长和带宽）与不同尘粒温度（50–295 K）下实验室测得的结晶橄榄石消光截面进行比较。
• 通过辐射转移建模，利用观测到的谱带形状推导出喷流半径（R_SW）和温度。
• 假设喷流速度恒定为10 km/s，将空间范围转换为动力学时标（t = R_SW / v）。
• 基于SED拟合得到的质量损失率（Ṁ），结合100–300的气尘比，估算超风总质量。
• 利用恒星参数（光度、周期、同位素比值）推断初始质量≥5 M⊙及热底燃烧，表明需经历多个超风阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于69 μm结晶橄榄石特征，OH/IR星中超风的空间范围如何？
• RQ2 根据观测到的喷流半径和假设的喷流速度，超风阶段大约始于多久以前？
• RQ3 为何大质量OH/IR星每期超风仅损失约0.2 M⊙，却仍需损失数个太阳质量才能离开AGB阶段？
• RQ4 先前发射的超风阶段是否可通过69 μm谱带探测到，还是该特征仅对最近一次喷流敏感？
• RQ5 赫歇尔观测中未发现扩展壳层，是否意味着在超风之后存在一个尚未被认识的极高率质量损失阶段？

主要发现

• 69 μm谱带的带宽和峰值位置表明，超风半径R_SW ≤ 2500 AU，对应动力学时标小于1200年（假设喷流速度为10 km/s）。
• 观测到的谱带特性最符合50 K至295 K之间尘粒温度的模型，与紧凑且近期喷出的喷流一致。
• 假设气尘比为100，估算超风总质量约为0.2 M⊙，该质量不足以解释大质量前体星离开AGB阶段所需的总质量损失。
• 赫歇尔观测中未发现扩展壳层，表明先前的超风阶段无法通过69 μm谱带探测到，暗示该特征仅对最近一次喷流敏感。
• 对于大质量OH/IR星（≥5 M⊙），该演化问题更加严重，它们需要多个超风阶段，但未发现扩展壳层，暗示存在缺失的演化阶段。
• 作者推测，这类恒星可能演化至一个此前未被认识的极高率质量损失阶段（如IRAS 16342–3814），以完成其AGB演化。