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

Technische Samenvatting: In kaart brengen van de circumstellaire chemie van koolstofrijke asymptotische reuzentaksterren III. SiO- en SiS-abundanties

Probleem en Context
De circumstellaire hulzen (CSEs) van koolstofrijke (C-type) asymptotische reuzentaksterren (AGB-sterren) zijn locaties van complexe moleculaire chemie. Hoewel de archetypische koolstofster IRC+10 216 uitvoerig is bestudeerd, berust het huidige begrip van moleculaire abundanties in de bredere populatie van koolstofsterren grotendeels op spectra van enkele schotels (SD) of beperkte interferometrische mapping. Deze methoden slagen er vaak niet in om ruimtelijke morfologie en excitatiecondities gelijktijdig te beperken over een breed scala aan stralen. Specifiek blijven de abundanties van siliciumhoudende refractaire soorten, SiO en SiS, onzeker. In tegenstelling tot CS, dat zich gemakkelijk vormt in koolstofrijke omgevingen, kan de vorming van SiO en SiS afhangen van factoren zoals bevriezing op stof of schokchemie. Deze studie heeft tot doel robuuste circumstellaire abundantieprofielen af te leiden voor SiO, SiS en hun belangrijkste isotopologen ($^{29}$SiO, $^{30}$SiO, $^{29}$SiS, $^{30}$SiS en Si$^{34}$S) voor een steekproef van vijf koolstofsterren, om te toetsen of IRC+10 216 representatief is voor de populatie en om chemische modelvoorspellingen te evalueren.

Methodologie
De auteurs analyseerden een steekproef van vijf C-type AGB-sterren met een hoge massa-verliesrate (MLR): IRAS 15194−5115, IRAS 15082−4808, IRAS 07454−7112, AFGL 3068 en IRC+10 216. De studie gebruikte een uitgebreide dataset die combineerde:

• Ruimtelijk Opgeloste Data: ALMA band 3 spectrale surveys (85–116 GHz) en, voor IRC+10 216, gecombineerde ALMA/IRAM 30m on-the-fly kaarten. Multi-apertuurspectra werden onttrokken aan geconvolueerde cubes om lijnfluxen over verschillende ruimtelijke schalen te traceren.
• Enkele-Schotel Data: Spectra van de telescopen APEX, Herschel/HIFI, IRAM 30m en Yebes 40m om een breed scala aan excitatiecondities te dekken (laag- tot hoog-J overgangen).

De auteurs gebruikten gedetailleerde 1D niet-lokale thermodynamische evenwicht (non-LTE) stralingstransport (RT) modellering met behulp van een versnelde lambda-iteratie (ALI) code. De modellen omvatten:

• Fysische Structuur: Sferisch symmetrische, gladde CSE-modellen met constante MLR en isotrope expansie, met invoerparameters (sterrenglans, stofeigenschappen, gasdichtheid) afgeleid uit eerdere stof- en CO-modellering (Paper II).
• Moleculaire Data: Radiatieve en collisionele excitatiesnelheden voor SiO (inclusief $v=0, 1$) en SiS (inclusief $v=0, 1, 2$ en ro-vibrationele overgangen).
• Abundantieprofielen: Gaussische profielen gedefinieerd door een piekabundantie ($f_0$) en een e-vouwingstraal ($R_e$) als vrije parameters.
• Beperkingen: De modellen werden beperkt door het minimaliseren van $\chi^2$ tussen gemodelleerde en waargenomen geïntegreerde lijnintensiteiten, waarbij zowel de ruimtelijke beperkingen van ALMA multi-apertuurspectra als de excitatiebeperkingen van SD-lijnen werden gebruikt.

Belangrijkste Resultaten

1. Abundantieprofielen: Robuuste abundantieprofielen werden afgeleid voor alle bronnen behalve AFGL 3068, die geen ruimtelijk opgeloste data had, wat leidde tot onbeperkte $f_0$- en $R_e$-waarden.

   • SiO: Piekabundanties voor de vier beperkte bronnen varieerden van $1.0 \times 10^{-7}$ tot $7.1 \times 10^{-7} Opmerkelijk is dat de SiO-piekabundanties voor IRAS 15194−5115, IRAS 15082−4808 en IRAS 07454−7112 een factor van$\sim$5 groter bleken dan die van IRC+10 216 ($2.2 \times 10^{-7}$).
   • SiS: Piekabundanties waren uniformer over de steekproef ($2.0 \times 10^{-6}$ tot $4.7 \times 10^{-6}$), consequent hoger dan SiO-abundanties met een factor 2–15.
   • Radiale Uitbreidingen: De e-vouwingstralen ($R_e$) voor SiO varieerden van $1.3 \times 10^{16}$ tot $7.0 \times 10^{16}$ cm, en voor SiS van $6.0 \times 10^{15}$ tot $1.0 \times 10^{17}$ cm. $R_e$ bleek toe te nemen met de gasdichtheid voor beide soorten.

2. Isotopenverhoudingen: Afgeleide isotopenverhoudingen ($^{28}$Si/$^{29}$Si, $^{28}$Si/$^{30}$Si, $^{29}$Si/$^{30}$Si en $^{32}$S/$^{34}$S) waren consistent met zonnewaarden voor alle bronnen, wat aangeeft dat er geen significante nucleosynthetische verandering van deze elementen heeft plaatsgevonden in de AGB-fase, met uitzondering van mogelijke geringe s-process-versterkingen.

3. Modelleringsuitdagingen:

   • IRC+10 216 SiO: De auteurs konden de laag-J ALMA-lijnen en hoog-J SD-lijnen voor SiO in IRC+10 216 niet gelijktijdig aanpassen. Modellen die de ALMA-data aanpasten, onderschatten de SD-lijnen, en vice versa. Pogingen om dit op te lossen met gemodificeerde binnenste abundantieprofielen (stapfuncties) of variatie van ster/stofparameters waren niet succesvol, wat beperkingen in 1D RT-modellering met vereenvoudigde ster-aannames benadrukt.
   • SiS J=6-5: Net als bij SiO konden modellen de SiS $J=5-4$ en $J=6-5$ lijnen niet gelijktijdig aanpassen. De auteurs schrijven dit toe aan potentiële IR-pomping-overlappingen met andere moleculen (bijv. C$_2$H$_2$, HCN) die de $v=1$-niveaus beïnvloeden, welke niet zijn opgenomen in hun standaard RT-modellen. Bijgevolg werden de $J=6-5$-lijnen uitgesloten van de uiteindelijke abundantiebeperkingen.

4. Vergelijking met Chemische Modellen:

   • SiO: Chemische modellen reproduceerden de afgeleide SiO-abundantieprofielen en radiale uitbreidingen goed.
   • SiS: Chemische modellen voorspelden consequent te hoge $R_e$-waarden voor SiS, wat suggereert dat de huidige fotodissociatiesnelheid voor SiS die in chemische modellen wordt gebruikt, wordt onderschat.

Betekenis en Conclusies
Het artikel toont aan dat robuuste beperkingen op circumstellaire moleculaire abundanties ruimtelijk opgeloste waarnemingen vereisen over een breed scala aan excitatiecondities. De studie bevestigt dat IRC+10 216 niet volledig representatief is voor de C-type AGB-populatie, aangezien andere bronnen aanzienlijk hogere SiO-abundanties vertonen. De bevindingen benadrukken de kritieke rol van infraroodpomping in de excitatie van SiO- en SiS-lijnen. Bovendien suggereert de discrepantie tussen waargenomen SiS-radiale uitbreidingen en chemische modelvoorspellingen dat de fotodissociatiesnelheid van SiS herzien moet worden. De auteurs concluderen dat hoewel 1D RT-modellering effectief is, het inherente beperkingen heeft bij toepassing op complexe, niet-gladde circumstellaire omgevingen, en dat toekomstige uitgebreide overzichten van AGB-chemie grotere steekproeven vereisen, inclusief bronnen met lagere massa-verliesraten, gecombineerd met bijgewerkte chemische modellen.