Charting circumstellar chemistry of carbon-rich asymptotic giant branch stars. III. SiO and SiS abundances

Technische Zusammenfassung: Kartierung der zirkumstellaren Chemie kohlenstoffreicher Asymptotischer-Riesenast-Sterne III. SiO- und SiS-Häufigkeiten

Problem und Kontext
Die zirkumstellaren Hüllen (CSEs) kohlenstoffreicher (C-Typ) Sterne des asymptotischen Riesenastes (AGB) sind Orte komplexer molekularer Chemie. Während der archetypische Kohlenstoffstern IRC+10 216 umfassend untersucht wurde, stützt sich das aktuelle Verständnis molekularer Häufigkeiten in der breiteren Population kohlenstoffreicher Sterne weitgehend auf Einzelschüssel-Spektren (SD) oder begrenzte interferometrische Kartierungen. Diese Methoden versagen oft darin, gleichzeitig die räumliche Morphologie und die Anregungsbedingungen über einen weiten Radiusbereich einzuschränken. Insbesondere bleiben die Häufigkeiten von siliziumhaltigen refraktären Spezies, SiO und SiS, unsicher. Im Gegensatz zu CS, das in C-reichen Umgebungen readily entsteht, kann die Bildung von SiO und SiS von Faktoren wie dem Einfrieren auf Staub oder Stoßchemie abhängen. Diese Studie zielt darauf ab, robuste zirkumstellare Häufigkeitsprofile für SiO, SiS und ihre wichtigsten Isotopologe ($^{29}$SiO, $^{30}$SiO, $^{29}$SiS, $^{30}$SiS und Si$^{34}$S) für eine Stichprobe von fünf kohlenstoffreichen Sternen abzuleiten, um zu prüfen, ob IRC+10 216 repräsentativ für die Population ist, und um chemische Modellvorhersagen zu bewerten.

Methodik
Die Autoren analysierten eine Stichprobe von fünf C-Typ AGB-Sternen mit hohem Massenverlust (MLR): IRAS 15194−5115, IRAS 15082−4808, IRAS 07454−7112, AFGL 3068 und IRC+10 216. Die Studie verwendete einen umfassenden Datensatz, der Folgendes kombiniert:

• Räumlich aufgelöste Daten: ALMA-Band-3-Spektralsurveys (85–116 GHz) und, für IRC+10 216, kombinierte ALMA/IRAM-30m-Flugkarten (on-the-fly maps). Multi-Apertur-Spektren wurden aus konvolvierten Würfeln extrahiert, um die Linienflüsse über verschiedene räumliche Skalen zu verfolgen.
• Einzelschüssel-Daten: Spektren von APEX, Herschel/HIFI, IRAM 30m und Yebes 40m-Teleskopen, um einen breiten Bereich von Anregungsbedingungen abzudecken (niedrige bis hohe J-Übergänge).

Die Autoren nutzten detaillierte 1D-Strahlungstransportmodelle (RT) im Nicht-Lokalthermodynamischen-Gleichgewicht (non-LTE) unter Verwendung eines beschleunigten Lambda-Iterationscodes (ALI). Die Modelle beinhalteten:

• Physikalische Struktur: Kugelsymmetrische, glatte CSE-Modelle mit konstantem MLR und isotroper Expansion, unter Verwendung von Eingabeparametern (Sternleuchtkraft, Staub Eigenschaften, Gasdichte), die aus früheren Staub- und CO-Modellierungen (Paper II) abgeleitet wurden.
• Molekulare Daten: Radiative und kollisionsbedingte Anregungsraten für SiO (einschließlich $v=0, 1$) und SiS (einschließlich $v=0, 1, 2$ und ro-vibrationale Übergänge).
• Häufigkeitsprofile: Gaußprofile, definiert durch eine maximale Häufigkeit ($f_0$) und einen E-Folding-Radius ($R_e$) als freie Parameter.
• Einschränkungen: Die Modelle wurden durch Minimierung von $\chi^2$ zwischen modellierten und beobachteten integrierten Linienintensitäten eingeschränkt, wobei sowohl die räumlichen Einschränkungen aus ALMA Multi-Apertur-Spektren als auch die Anregungseinschränkungen aus SD-Linien genutzt wurden.

Hauptergebnisse

1. Häufigkeitsprofile: Robuste Häufigkeitsprofile wurden für alle Quellen außer AFGL 3068 abgeleitet, dem räumlich aufgelöste Daten fehlten, was zu unbeschränkten $f_0$- und $R_e$-Werten führte.

   • SiO: Die maximalen Häufigkeiten für die vier eingeschränkten Quellen reichten von $1.0 \times 10^{-7}$ bis $7.1 \times 10^{-7}$. Bemerkenswerterweise waren die SiO-maximalen Häufigkeiten für IRAS 15194−5115, IRAS 15082−4808 und IRAS 07454−7112 um einen Faktor von $\sim$5 größer als die von IRC+10 216 ($2.2 \times 10^{-7}$).
   • SiS: Die maximalen Häufigkeiten waren über die Stichprobe hinweg einheitlicher ($2.0 \times 10^{-6}$ bis $4.7 \times 10^{-6}$) und konsistent um einen Faktor von 2–15 höher als die SiO-Häufigkeiten.
   • Radiale Ausdehnungen: Die E-Folding-Radien ($R_e$) für SiO reichten von $1.3 \times 10^{16}$ bis $7.0 \times 10^{16}$ cm und für SiS von $6.0 \times 10^{15}$ bis $1.0 \times 10^{17}$ cm. Es wurde festgestellt, dass $R_e$ für beide Spezies mit der Gasdichte zunimmt.

2. Isotopenverhältnisse: Abgeleitete Isotopenverhältnisse ($^{28}$Si/$^{29}$Si, $^{28}$Si/$^{30}$Si, $^{29}$Si/$^{30}$Si und $^{32}$S/$^{34}$S) waren für alle Quellen mit solaren Werten konsistent, was auf keine signifikante nukleosynthetische Veränderung dieser Elemente in der AGB-Phase hinweist, mit Ausnahme möglicher geringfügiger s-Prozess-Verstärkungen.

3. Modellierungsherausforderungen:

   • IRC+10 216 SiO: Die Autoren konnten die niedrigen J-ALMA-Linien und die hohen J-SD-Linien für SiO in IRC+10 216 nicht gleichzeitig anpassen. Modelle, die die ALMA-Daten anpassten, unterschätzten die SD-Linien, und umgekehrt. Versuche, dies durch modifizierte innere Häufigkeitsprofile (Stufenfunktionen) oder durch Variation von Stern-/Staubparametern zu lösen, waren erfolglos und unterstreichen die Grenzen der 1D-RT-Modellierung mit vereinfachten Sternannahmen.
   • SiS J=6-5: Ähnlich wie bei SiO konnten Modelle die SiS-Linien $J=5-4$ und $J=6-5$ nicht gleichzeitig anpassen. Die Autoren führen dies auf potenzielle IR-Pump-Überlappungen mit anderen Molekülen (z. B. C$_2$H$_2$, HCN) zurück, die die $v=1$-Niveaus beeinflussen, welche in ihren Standard-RT-Modellen nicht enthalten sind. Folglich wurden die $J=6-5$-Linien von den endgültigen Häufigkeitseinschränkungen ausgeschlossen.

4. Vergleich mit chemischen Modellen:

   • SiO: Chemische Modelle reproduzierten die abgeleiteten SiO-Häufigkeitsprofile und radialen Ausdehnungen gut.
   • SiS: Chemische Modelle sagten die $R_e$-Werte für SiS konsistent zu hoch voraus, was darauf hindeutet, dass die in chemischen Modellen verwendete aktuelle Photodissoziationsrate für SiS unterschätzt wird.

Bedeutung und Schlussfolgerungen
Die Arbeit zeigt, dass robuste Einschränkungen zirkumstellarer molekularer Häufigkeiten räumlich aufgelöste Beobachtungen über einen breiten Bereich von Anregungsbedingungen erfordern. Die Studie bestätigt, dass IRC+10 216 nicht vollständig repräsentativ für die C-Typ AGB-Population ist, da andere Quellen signifikant höhere SiO-Häufigkeiten aufweisen. Die Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle der Infrarot-Pumpung bei der Anregung von SiO- und SiS-Linien. Darüber hinaus deutet die Diskrepanz zwischen den beobachteten SiS-radialen Ausdehnungen und den Vorhersagen chemischer Modelle darauf hin, dass die Photodissoziationsrate von SiS einer Revision bedarf. Die Autoren schließen, dass, obwohl die 1D-RT-Modellierung effektiv ist, sie inhärente Grenzen aufweist, wenn sie auf komplexe, nicht-glatte zirkumstellare Umgebungen angewendet wird, und dass zukünftige umfassende Übersichten der AGB-Chemie größere Stichproben, einschließlich Quellen mit niedrigerem Massenverlust, kombiniert mit aktualisierten chemischen Modellen, erfordern.