헬륨 I 불연속점으로 본 행성상성운 전자 온도 측정: He I 불연속과 H I 밸머스 점프의 비교

📝 Abstract

We have used the He I discontinuities at 3421A to determine the electron temperatures, designated Te(He I), for a sample of five Galactic planetary nebulae (PNe). We compared Te(He I) with the electron temperatures derived from the hydrogen Balmer jump at 3646A, designated Te(H I), and found that Te(He I) are generally lower than Te(H I). There are two possible interpretations, a) the presence of substantial He+2 zone, or b) the presence of hydrogen-deficient cold clumps within diffuse nebulae. A series of photoionization models were constructed to test the two scenarios. We found that the observed Te(He I)/Te(H I) discrepancies are beyond the predictions of chemically homogeneous models. Our modelling shows that the presence of a small amount of hydrogen-deficient inclusions seems to be able to reproduce the observed intensities of He I discontinuities. We stress the value of He I discontinuities in investigating nebular physical conditions. Albeit with some observational and technical limitations, He I discontinuities should be considered in future modelling work.

💡 Analysis

**

1. 연구 배경 및 목적

• 행성상성운(PNe)의 화학적 풍부도는 저·중간 질량 별의 핵합성 및 은하계 화학 진화를 이해하는 데 핵심이다.
• 전통적인 충돌 유도 선(CEL) 기반 풍부도는 재결합 선(ORL) 기반 풍부도보다 낮게 측정되는 “ADF(Abundance Discrepancy Factor)” 문제가 오래전부터 제기되어 왔다.
• 두 가지 주요 가설이 존재한다.
  1. 화학적으로 균일한 성운 내 온도·밀도 변동
  2. 수소‑결핍 차가운 클럼프(두 성분 모델)
• 기존 연구에서는 주로 CEL/ORL 비율이나 온도 민감 선(

📄 Content

arXiv:0901.1411v1 [astro-ph.SR] 2009년 1월 11일
He I 불연속점으로부터 구한 행성상 성운의 전자 온도

Y. Zhang¹, H.-B. Yuan², C.-T. Hua³, X.-W. Liu²,⁴, J. Nakashima¹, S. Kwok¹

초록

우리는 3421 Å에서 나타나는 He I 불연속점을 이용하여 다섯 개의 은하계 행성상 성운(PNe) 표본에 대한 전자 온도, 즉 Te(He I) 를 측정하였다. 이 값을 수소 Balmer 점프(3646 Å)에서 얻은 전자 온도 Te(H I) 와 비교한 결과, Te(He I) 가 일반적으로 Te(H I) 보다 낮음을 확인하였다. 이러한 차이를 설명할 수 있는 두 가지 가능한 해석은 다음과 같다. (a) He²⁺ 영역이 상당히 넓게 존재한다는 경우, 혹은 (b) 확산된 성운 내부에 수소가 결핍된 차가운 클럼프가 존재한다는 경우이다.

두 시나리오를 검증하기 위해 일련의 광이온화 모델을 구축하였다. 그 결과, 관측된 Te(He I)/Te(H I) 차이는 화학적으로 균일한 모델이 예측하는 범위를 크게 초과한다는 것을 발견하였다. 모델링 결과, 소량의 수소 결핍 포함물(클럼프)이 존재할 경우 He I 불연속점 강도를 관측값과 일치시킬 수 있음을 보여준다.

He I 불연속점은 성운의 물리적 상태를 조사하는 데 매우 유용한 도구임을 강조한다. 관측 및 기술적인 제한이 존재하지만, 향후 모델링 작업에서는 He I 불연속점을 반드시 고려해야 한다.

주제어: ISM: 일반 — 행성상 성운: 일반

1. 서론

행성상 성운(PNe)의 화학적 풍부도를 정확히 측정하는 일은 저·중간 질량 별의 핵합성 과정과 은하계의 화학적 진화를 이해하는 데 근본적인 중요성을 가진다. 그러나 성운 천체물리학에서 가장 큰 난제 중 하나는 충돌에 의해 여기된 선(CEL)으로부터 유도된 무거운 원소의 풍부도가 광재결합선(ORL)으로부터 얻은 값보다 낮게 나타난다는 점이다. 일반적인 PNe에서 ORL/CEL 풍부도 차이인 ADF(Abundance Discrepancy Factor) 는 약 2 정도이며, 지금까지 보고된 가장 극단적인 경우는 Hf 2‑2 로, ADF가 약 70에 달한다(Liu et al. 2006). 이 문제에 대한 최신 리뷰는 Liu(2006)와 Peimbert & Peimbert(2006)에서 제시되었으며(그 외 참고문헌도 포함), 두 가지 가능한 해결책이 제시된다.

1. 화학적으로 균일한 성운 내부에 온도·밀도 변동이 존재한다는 경우.
2. 확산된 성운에 수소가 결핍된 두 번째 성분(클럼프)이 포함된 두 성분 모델.

두 시나리오를 검증하려면, 특히 ORL이 발생하는 영역의 물리적 상태를 보다 정밀하게 조사해야 한다. 이를 위해서는 전통적인 CEL 진단법을 넘어서는 새로운 플라즈마 진단 도구가 절실히 필요하다.

Zhang et al. (2004)는 수소 Balmer 점프를 이용해 대규모 PNe 표본의 전자 온도 Te(H I) 를 구하였다. 그 결과 Te(H I) 가 [O III]의 네뷸러·오로랄 선 비율로부터 얻은 Te(O III) 보다 체계적으로 낮게 나타났으며, 이는 Liu & Danziger(1993)의 이전 연구와 일치한다. Peimbert(1967, 1971)는 Te(H I) 와 Te(O III) 사이의 차이가 성운 내부의 온도 변동에 기인할 수 있음을 제시했고, 이를 정량화하기 위해 평균 제곱 온도 변동 t² 를 도입하였다. 화학·공간적으로 균일한 광이온화 모델은 일반적으로 t² ≈ 0.003–0.015 를 예측하지만, Liu & Danziger(1993)와 Zhang et al. (2004)의 관측은 이보다 훨씬 큰 온도 변동을 보여준다. 이는 추가적인 에너지 입력이 있거나 화학적 불균일성이 존재한다는 것을 의미한다.

Zhang et al. (2005a,b)는 He I 재결합선 비율을 이용해 전자 온도 Te(He I) 를 구하는 방법을 개발하였다. Te(He I) 와 Te(H I) 를 비교함으로써 두 성분 모델과 화학적으로 균일한 성운 내 온·밀도 변동이 각각 CEL/ORL 풍부도 차이를 설명하는지를 판별할 수 있다. Zhang et al. (2005a, 이하 Paper I)에서는 48개의 PNe 표본을 조사한 결과, Te(He I) 가 Te(H I) 보다 현저히 낮아 두 성분 모델을 지지한다는 결론을 내렸다. 그러나 두 가지 논란이 있다. 첫째, Peimbert & Peimbert(2006)은 He I λ 3889, 4471, 7069 로부터 구한 Te(He I) 가 λ 6678, 7281 로부터 구한 값과 차이가 있음을 지적했으며, 이는 He⁺ 영역의 밀도 불확실성이나 λ 3889의 광학 깊이 효과 때문일 수 있다. 둘째, 고여기성 PNe에서는 He⁺와 H⁺ 영역이 일치하지 않으며, 상당한 He²⁺ 영역이 존재할 경우 Te(He I) 와 Te(H I) 사이의 차이에 기여할 가능성이 있다.

이와 유사한 방법이 H II 영역에서도 적용되었으며(García‑Rojas et al. 2005; Guseva et al. 2006, 2007), 그 결과 H II 영역에서는 온도 차이가 PNe만큼 두드러지지 않는다.

본 논문에서는 He I 불연속점(3421 Å)을 직접 피팅하는 대안적 방법을 사용해 다섯 개 은하계 PNe의 Te(He I) 를 구한다. 고신호‑대‑잡음 비율(S/N)의 스펙트럼 덕분에 He I 점프를 명확히 검출할 수 있었으며, 이를 통해 Te(He I) 와 Te(H I) 사이의 관계를 보다 정밀히 조사한다. 관측된 Te(H I)/Te(He I) 차이를 설명하기 위해 화학적으로 균일한 모델과 두 성분 모델을 모두 검토한다. 이 연구는 저자들의 이전 재결합 스펙트럼을 이용한 PNe 물리 상태 탐구(Liu & Danziger 1993; Zhang et al. 2004, 2005a,b)와 연계된 보완 작업이다.

2. 관측 및 데이터 감소

표본은 저여기성 PNe 두 개와 고여기성 PNe 세 개를 포함한다(표 1 참조). 2000년 3월, 시딩 스프링 천문대의 2.3 m Advanced Technology Telescope(f‑18 Nasmyth 초점)에서 장슬릿 스펙트럼을 취하였다. Double Beam Spectrograph(DBS)의 양쪽 팔을 모두 사용했으며, 1200B 격자를 2차 회절로 이용해 0.3 Å / 픽셀의 분광 해상도를 얻었다. 1200B 격자는 두 팔을 독립적으로 사용할 수 있게 해 주며, CCD는 1752 × 532 픽셀(SITE)로 3240–8520 Å 전 범위를 커버한다. 대기 굴절에 의한 손실을 최소화하기 위해 각 성운을 관측할 때 슬릿을 천구 적위와 일치하도록 배치했으며, 대기 질량은 약 1.2, 최적의 시야 조건에서 1500 s씩 노출하였다.

데이터 감소는 MIDAS의 long92 패키지를 이용해 표준 절차(바이어스 차감, 플랫‑필드 보정, 우주선 제거, 헬륨‑아르곤 램프를 이용한 파장 보정)를 수행하였다. 플럭스 보정은 표준 별 EG 131과 LTT 4364를 사용했으며, 최종 스펙트럼은 R = 3.1인 은하계 소멸 법칙(Howarth 1983)과 Cahn et al. (1992)의 소멸 계수를 적용해 복원하였다.

3. 분석 및 결과

스펙트럼을 이용해 He I 불연속점(3421 Å) 과 H I Balmer 불연속점(3646 Å) 를 동시에 측정함으로써 Te(He I) 와 Te(H I) 를 구하였다. 여기서 He I 불연속점은 He⁺ 재결합이 2p ³P⁰ 레벨로 전이하면서 발생하는 JHe = I₍₃₄₂₁₋₎ − I₍₃₄₂₁₊₎ 로 정의한다. H I Balmer 불연속점은 JH = I₍₃₆₄₆₋₎ − I₍₃₆₄₆₊₎ 로 정의한다. He I와 He II, H I의 자유‑자유, 자유‑결합, 결합‑결합 복사와 수소 2²S 레벨의 두 광자 붕괴를 모두 포함해 이론 스펙트럼을 합성하였다. 연속 방출 계수는 Ercolano & Storey (2006)에서 제공된 온도 의존성을 사용하였다. 중심별의 산란은 수정된 흑체 함수 Iλ ∝ λ⁻ᵝ B(λ,T) 로 시뮬레이션했으며, β = 0이면 순수 흑체 스펙트럼이다. 상세한 피팅 절차는 Zhang et al. (2004)를 참고한다.

Figure 1 은 다양한 Te(He I) 에 대한 이론 스펙트럼을 보여준다. Te(He I) 가 상승하면 He I 불연속점 강도가 감소한다. 이는 3421 Å 근처 자유‑결합 방출 강도가 전자 온도가 높아질수록 낮은 에너지 자유 전자의 수가 감소하기 때문이다. H I Balmer 불연속점도 동일한 이유로 Te(H I) 가 상승하면 감소한다. JH 값은 He I 불연속점(3680 Å) 의 작은 기여 때문에 Te(He I) 에 따라 약간 변한다.

따라서 관측 스펙트럼에 이론 스펙트럼을 피팅함으로써 Te(He I) 와 Te(H I) 를 동시에 구할 수 있다. 피팅 전에 He⁺/H⁺ 와 He²⁺/He⁺ 비율을 측정한다. He⁺/H⁺ 비율은 He I 불연속점 근처의 강한 He I 선들을 이용해 구했으며, 온도·밀도에 크게 민감하지 않다(플럭스 오차 < 15 %). He²⁺/He⁺ 비율은 Cahn et al. (1992)에서 제공된 값을 사용했으며, 이 비율의 불확실성은 연속 방출에 대한 He II 기여가 H I·He I에 비해 매우 작기 때문에 무시할 수 있다.

Figure 2 는 다섯 개 PNe에 대한 피팅 결과를 보여준다. 적색 편차와 플럭스 보정 오차를 최소화하기 위해 모든 스펙트럼을 H I λ 3770 (H 11) 에 정규화하였다. 얻어진 Te(He I) 와 Te(H I) 값은 표 1에 정리하였다. 불연속점 강도와 온도와의 관계는

[ \m

이 글은 AI가 자동 번역 및 요약한 내용입니다.