[论文解读] W Hya through the eye of Odin Satellite observations of circumstellar submillimetre H$_2$O line emission

K. Justtanont, P. Bergman+11 more|ArXiv.org|May 11, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 38被引用 29

一句话总结

本研究基于Odin卫星对富氧S型渐近巨支星W Hydrae的557 GHz基态正- H₂O 转移的观测，揭示了星周水线的流量为(3.6 ± 1.2) × 10⁻²¹ W cm⁻²。辐射转移建模得出质量损失速率为(2.5 ± 0.5) × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，水丰度为(2.0 ± 1.0) × 10⁻³，显著超过宇宙氧丰度极限，作者将其归因于冰质天体蒸发贡献了约0.1 M⊕的额外水。

ABSTRACT

We present Odin observations of the AGB star W Hya in the ground-state transition of ortho-H2O, 1(10)-1(01), at 557GHz. The line is clearly of circumstellar origin. Radiative transfer modelling of the water lines observed by Odin and ISO results in a mass-loss rate of (2.5 +/- 0.5)E-7 Msol/yr, and a circumstellar H2O abundance of (2.0 +/- 1.0)E-3. The inferred mass-loss rate is consistent with that obtained from modelling the circumstellar CO radio line emission, and also with that obtained from the dust emission modelling combined with a dynamical model for the outflow. The very high water abundance, higher than the cosmic oxygen abundance, can be explained by invoking an injection of excess water from evaporating icy bodies in the system. The required extra mass of water is quite small, on the order of ~ 0.1 earth mass.

研究动机与目标

• 利用Odin卫星测量渐近巨支星W Hydrae的亚毫米波H₂O谱线发射。
• 通过H₂O和CO谱线数据的辐射转移建模，确定星周水丰度和质量损失速率。
• 解决观测到的高水丰度与宇宙氧丰度极限之间的矛盾。
• 研究W Hydrae星周包层中过剩水的来源。

提出的方法

• 利用Odin的自相关光谱仪获取H₂O (1₁₀–1₀₁)跃迁在557 GHz处的高分辨率亚毫米波谱。
• 将Odin数据与档案中ISO SWS和LWS对H₂O谱线的观测相结合，以约束星周环境。
• 采用非局部热动平衡（non-LTE）形式化方法进行辐射转移建模，以推导H₂O丰度和质量损失速率。
• 应用动力学外流模型，将尘埃发射与CO谱线数据关联至质量损失速率。
• 使用公式 M_H₂O = Ṁ(f_H₂O − 10⁻³)(r_H₂O/v)(m_H₂O/m_H₂) 估算所需额外水的质量。
• 通过将所需质量（约0.1 M⊕）与奥尔特云估算值比较，评估冰质天体蒸发作为额外水来源的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Odin和ISO H₂O谱线观测，W Hydrae的星周水丰度和质量损失速率是多少？
• RQ2 为何W Hydrae中观测到的H₂O丰度显著高于相对于H₂的宇宙丰度极限（约10⁻³）？
• RQ3 高水丰度是否能通过标准核合成化学以外的额外水来源来解释？
• RQ4 从H₂O谱线推导出的质量损失速率与CO谱线和尘埃发射建模所得值相比如何？
• RQ5 为使观测结果与理论丰度极限一致，所需额外水的质量是多少？

主要发现

• Odin卫星在W Hydrae方向探测到557 GHz处的基态正- H₂O 跃迁，线流量为(3.6 ± 1.2) × 10⁻²¹ W cm⁻²。
• 对Odin和ISO H₂O谱线进行辐射转移建模，得出相对于H₂的水丰度为(2.0 ± 1.0) × 10⁻³，超过约10⁻³的宇宙极限。
• 推导出的质量损失速率为(2.5 ± 0.5) × 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，与CO谱线和尘埃发射建模结果一致。
• 为解释观测到的丰度，所需额外水的质量为(0.1 ± 0.05) M⊕，与蒸发冰质天体的贡献一致。
• 高水丰度最合理的解释是来自彗星或小行星蒸发的水注入，类似于对IRC+10216提出的机制。
• 估算的额外水质量远小于奥尔特云质量范围（14–1000 M⊕），使该情景具有合理性。