碳星IRC +10216毫米波谱线时变的ALMA观测和模拟研究

AGB superwind is one of the keys to understanding the late stage evolution of stars and chemical evolution of galaxies. However, our understanding to this complicated and dynamical physical process is still lacking, such that it is still impossible to predict the AGB superwind mass loss rates from first principle even today. In our previous single dish studies, we have successfully obtained for the first time the millimeter molecular emission-line light curves in the archetypal carbon star IRC +10216. The results indicate that the observed variations are closely related to the physical and chemical processes in the surperwind launching region. We thus have developed a series of ALMA 1.3mm monitoring projects to extend the single dish studies. This proposal will combine the ALMA results with multi-wavelength comparison and numerical simulation, to achieve the first comprehensive description of the dynamical characteristics of the superwind launching region, and possibly directly verify the "pulsation shocks + dust formation" model of super-wind launching.

AGB超星风是理解恒星晚期演化和星系化学演化的关键之一。但是我们对这个复杂动态的物理过程仍然相当缺乏理解，尚无法从第一原理预测AGB星的星风物质损失率。我们在前期单天线观测中首次得到了典型碳星IRC+10216的毫米波频谱光变曲线，发现毫米波谱线光变与超星风产生区域内的物理和化学过程密切相关，并在此基础上发展了一系列ALMA干涉仪1.3毫米波段后续监测观测项目。本课题将利用ALMA监测结果，进行多波段观测比较，以及数值模拟，将首次揭示这个碳星超星风启动区域的动态特征，并可能直接验证超星风的“脉动激波+尘埃形成”机制。

本项目肇始于对知名近邻富碳AGB星IRC +10216的ALMA毫米波连续谱和谱线成图时变监测研究。在本项目执行之前和期间，我们连续7年获得ALMA观测时间，对它进行了总共66个独立时间点处的ALMA/ACA阵观测，以及在两个独立时间点处的ALMA/12m阵观测，获得了丰富的观测数据，为揭示这个碳星毫米波连续谱和谱线时变的物理原因打下了很好的基础。同时，我们也开展了仍然在进行之中的配套的红外JHKLM波段测光监测和红外YJHK波段的低分辨率光谱监测，用于与ALMA观测的光变曲线的联合分析。由于许多观测证据都暗示这个碳星很可能是一个与AGB星风相互作用的双星系统，这将对ALMA监测数据的分析和解释带来重要影响。因此我们也发展了利用VLTI/MATISSE对这个碳星进行的中红外N波段高空间分辨率干涉观测项目，并已获得了1小时的首次观测时间（还将发展后续观测项目）。我们的ALMA观测频谱以其高的信噪比揭示了1.1毫米波段的一个约4GHz宽的带宽内的81条未知谱线，有可能它们大多数都来自星周包层的内部高密度高温度区域。我们的初步分析结果也表明，观测到的星周分子谱线很可能有不同的时变模式，有的与红外测光光变基本一致，有的相反，有的变化较小。我们也对所观测到的谱线时变的物理机制进行了初步的数值模拟探索（包括尘埃与气体的相互作用，分子的振动和转动激发过程），发现如果仅仅由光变的红外辐射来激发分子的毫米波辐射的话，只能产生较小的毫米波谱线变化幅度，无法解释ALMA观测结果。我们已经积累的丰富数据正等待我们进一步挖掘分析AGB星毫米波光变的物理原因。