[论文解读] The wind of W Hya as seen by Herschel. II. The molecular envelope of W Hya

T. Khouri, A. de Koter+19 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 23

一句话总结

本研究利用赫歇尔空间天文台的数据，对富氧S型渐近巨星支（AGB）星W Hydrae的分子包层进行建模，结合12CO、H2O和28SiO谱线，以约束星风结构与化学组成。研究发现湍流速度为0.7±0.1 km s⁻¹，H2O的ortho-to-para比值为2.5⁺².⁵₋₁.⁰，初始恒星质量约为1.5 M⊙，且28SiO丰度与约三分之一的硅被锁定在尘埃中的结果一致，证实了基于CO数据的包层模型，并进一步精确了湍流与同位素约束。

ABSTRACT

The evolution of low- and intermediate-mass stars on the asymptotic giant branch (AGB) is mainly controlled by the rate at which these stars lose mass in a stellar wind. Understanding the driving mechanism and strength of the stellar winds of AGB stars and the processes enriching their surfaces with products of nucleosynthesis are paramount to constraining AGB evolution and predicting the chemical evolution of galaxies. In a previous paper we have constrained the structure of the outflowing envelope of W Hya using spectral lines of the $^{12}$CO molecule. Here we broaden this study by modelling an extensive set of H$_{2}$O and $^{28}$SiO lines observed by the three instruments on board Herschel using a state-of-the-art molecular excitation and radiative transfer code. The oxygen isotopic ratios and the $^{28}$SiO abundance profile can be connected to the initial stellar mass and to crucial aspects of dust formation at the base of the stellar wind, respectively. The modelling of H$_{2}$O and $^{28}$SiO confirms the properties of the envelope model of W Hya derived from $^{12}$CO lines. We find an H$_2$O ortho-to-para ratio of 2.5\,$^{+2.5}_{-1.0}$, consistent with what is expected for an AGB wind. The O$^{16}$/O$^{17}$ ratio indicates that W Hya has an initial mass of about 1.5 M$_\odot$. Although the ortho- and para-H$_{2}$O lines observed by HIFI appear to trace gas of slightly different physical properties, a turbulence velocity of $0.7\pm0.1$ km s$^{-1}$ fits the HIFI lines of both spin isomers and those of $^{28}$SiO well. The ortho- and para-H$_2^{16}$O and $^{28}$SiO abundances relative to H$_{2}$ are $(6^{+3}_{-2}) imes 10^{-4}$, $(3^{+2}_{-1}) imes 10^{-4}$, and $(3.3\pm 0.8) imes 10^{-5}$, respectively. Assuming a solar silicon-to-carbon ratio, the $^{28}$SiO line emission model is consistent with about one-third of the silicon atoms being locked up in dust particles.

研究动机与目标

• 在以往仅基于CO的模型基础上，进一步改进对富氧AGB星W Hydrae星风结构的约束。
• 利用一套全面的H2O与28SiO谱线，研究分子包层中的物理条件与化学丰度。
• 通过分析光学厚的H2O与28SiO谱线，确定星风中的湍流速度。
• 推导同位素比值（16O/17O、16O/18O），并将其与初始恒星质量及核合成过程关联。
• 通过比较28SiO气相丰度与尘埃模型预测结果，评估风中被锁定在尘埃中的硅的比例。

提出的方法

• 利用最先进的辐射转移与分子激发计算代码，对赫歇尔空间望远镜HIFI、PACS和SPIRE仪器的分子谱线辐射进行建模。
• 在辐射转移计算中引入尘埃辐射场，以准确模拟谱线激发与辐射过程。
• 采用具有可变温度、速度与密度结构的球对称膨胀星风模型，以拟合观测到的谱线轮廓。
• 同时拟合ortho-H2O与para-H2O谱线，以及28SiO谱线，以约束湍流速度与丰度比值。
• 对H2O与SiO采用非局部热动平衡（non-LTE）处理，以考虑辐射泵浦与谱线光学厚度效应。
• 将观测到的谱线强度与轮廓与合成光谱进行比较，推导出物理参数与丰度，包括通过蒙特卡洛采样获得的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于H2O与28SiO谱线，W Hydrae分子星风中的湍流速度是多少？
• RQ2 W Hya包层中H2O的ortho-to-para比值是多少？是否与AGB星风的预期相符？
• RQ3 16O/17O同位素比值是多少？它对W Hydrae的初始恒星质量有何启示？
• RQ4 根据28SiO丰度与尘埃模型的一致性，风中有多大比例的硅被锁定在尘埃中？
• RQ5 能否通过单一星风模型同时再现观测到的H2O与28SiO谱线轮廓？这又对物理条件意味着什么？

主要发现

• 测得H2O的ortho-to-para比值为2.5⁺².⁵₋₁.⁰，与AGB星风预期的3值一致，支持星风中激发过程趋于热平衡的模型。
• 16O/17O比值为1250⁺⁷⁵⁰₋⁴⁵⁰，表明W Hydrae的初始恒星质量约为1.5 M⊙。
• 湍流速度被约束为0.7±0.1 km s⁻¹，ortho-H2O与para-H2O分别对应0.8与0.6 km s⁻¹，尽管未建模湍流梯度。
• ortho-H2O相对于H2的丰度为(6⁺³₋₂)×10⁻⁴，para-H2O为(3⁺²₋₁)×10⁻⁴，与富氧AGB星风的预期一致。
• 28SiO相对于H2的丰度为(3.3±0.8)×10⁻⁵，结合尘埃模型推算，若采用太阳Si/C比，则约三分之一的硅被锁定在尘埃中。
• 16O/18O比值为190⁺²¹⁰₋⁹⁰，与当前演化模型不一致，可能需要高于太阳金属量的环境才能与理论预测相协调。