Charting Circumstellar Chemistry of Carbon-rich AGB Stars
Doktorsavhandling, 2025

Stars of low to intermediate initial masses (~0.8 - 8 M) enter the asymptotic giant branch (AGB) phase in their late evolution. The intense mass loss during the AGB forms an extended circumstellar envelope (CSE) of chemically rich gas and dust around the star. These stars also form heavy elements via the s-process, and contribute substantially to the chemical enrichment of the interstellar medium (ISM). Carbon-rich AGB stars present more chemically complex CSEs than their oxygen-rich counterparts. The chemical characterisation of carbon-star CSEs is crucial for unravelling the astrochemical networks that form complex molecules and dust. However, most of our current knowledge of the circumstellar chemistry in carbon-stars is based on observations and models of a single object, IRC+10 216, often regarded as the archetype carbon-star. To address this lack of sufficient sampling evident in the literature, this thesis presents the first spatially resolved, unbiased spectral survey of circumstellar molecular line emission from carbon-stars other than IRC +10 216, revealing their complex morphologies and chemical contents. We derive the emitting region sizes and LTE fractional abundances for a large number of molecular species. We further employ non-LTE radiative transfer models, constrained using a large number of interferometric and single-dish observations, to determine both the physical and chemical characteristics of these envelopes. We derive the circumstellar abundance distributions of various molecular species (CS, SiO, SiS), and compare these to IRC +10 216, informing state-of-the-art chemical models as well. The large amount of observational constraints available also helps illuminate the limitations inherent to such modelling. Overall, this work leverages the high sensitivity and angular resolution of the ALMA interferometer, combined with detailed radiative transfer and chemical models, to provide a broader, more generalised understanding of the chemistry in carbon-star CSEs, extending beyond IRC +10 216.

stars: mass-loss

astrochemistry

stars: abundances

submillimeter: stars

stars: winds - outflows

Stars: AGB and post-AGB

circumstellar matter

stars: carbon

radiative transfer

HC1, Hörsalsvägen 14, Chalmers
Opponent: Professor Jan Cami, Department of Physics and Astronomy, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada

Författare

Ramlal Unnikrishnan Nair

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Astronomi och plasmafysik

Charting circumstellar chemistry of carbon-rich asymptotic giant branch stars: I. ALMA 3 mm spectral surveys

Astronomy and Astrophysics,;Vol. 684(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Unnikrishnan, R., De Beck, E., Nyman, L.-Å., Olofsson, H., Vlemmings, W. H. T., Maercker, M., Van de Sande, M., Millar, T. J., Danilovich, T., Andriantsaralaza, M., Charnley, S. B., and Rawlings, M. G., Charting circumstellar chemistry of carbon-rich asymptotic giant branch stars III. SiO and SiS abundances

Stjärnor som befinner sig i den asymptotiska jättegrenfasen (AGB) spelar en central roll i galaxers utveckling, eftersom de producerar dammpartiklar och tunga grundämnen som förs över till det interstellära mediet där de tillsammans utgör byggstenarna till nya stjärnor och planeter. Insikt i detta fenomen kan erhållas genom att studera dessa stjärnors cirkumstellära höljen. Höljena utgör en miljö där en komplex kemi kan resultera i en rik uppsättning av olika molekyler, något som kan studeras genom att observera deras spektrallinjer. Dock är en stor del av vår kunskap om de kemiska reaktionerna som pågår i dessa höljen, framförallt hos de som är rika på kol, baserad på observationer och modellering av ett enda objekt, IRC +10 216, som ofta brukar beskrivas som typexemplet för en kolrik stjärna. Arbetet beskrivet i denna avhandling har som syfte att utmana arketypstatusen hos IRC +10 216, samt att uppnå en mer generell förståelse för de rika och mångfacetterade kemiska och fysikaliska processerna i AGB-stjärnors cirkumstellära höljen. Vi presenterar här de första obiaserade spektralundersökningarna av tre kolrika höljen, som utförts med ALMA, för att komplettera de som gjorts på IRC +10 216. Med hjälp av ALMA har vi rumsligt upplöst spektrallinjer från ett stort antal olika molekyler och har därmed kunnat fastställa molekylstrålningens rumsliga fördelning. Vi har använt oss av detaljerade strålningstransportmodeller för att kunna fastställa de fysikaliska egenskaperna hos stjärnorna samt hos deras damm- och gashöljen. Vi har därigenom kunnat ta fram trovärdiga halter för olika klasser av molekyler som återfinns i de cirkumstellära höljena, vilket banar väg för en djupare förståelse av dessa fascinerande kosmiska kemilaboratorier.

Stars in the asymptotic giant branch (AGB) phase of stellar evolution play a crucial role in the chemical cycle of galaxies, enriching the interstellar medium with dust and nucleosynthesised material including many heavy elements, forming the building blocks of future stars and planets. The circumstellar envelopes (CSEs) of these stars are sites of rich and complex molecular chemistry that can be studied through spectral line observations. However, much of our current understanding of AGB circumstellar chemistry, particularly of the carbon-rich type, is based on observations and models of a single object, IRC +10 216, which is often regarded as an archetype carbon-star. This thesis aims to develop a more generalised understanding of the diverse chemical pathways and physical processes taking place in AGB CSEs. We present the first unbiased spectral surveys of three additional C-rich CSEs using ALMA, to test the archetype status of IRC +10 216 and to provide new insights for updating CSE chemical models. We spatially resolve the circumstellar line emission from a large number of molecules and determine the morphologies of their spatial distributions. We employ detailed radiative transfer models to determine the physical properties of the stars and their CSEs, and derive robust radial fractional abundance profiles of various molecular species, paving the way for an in-depth understanding of these fascinating cosmic chemical laboratories.

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

Onsala rymdobservatorium

Chalmers e-Commons (inkl. C3SE, 2020-)

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Astronomi, astrofysik och kosmologi

DOI

10.63959/chalmers.dt/5803

ISBN

978-91-8103-346-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5803

Utgivare

Chalmers

HC1, Hörsalsvägen 14, Chalmers

Opponent: Professor Jan Cami, Department of Physics and Astronomy, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada

Relaterade dataset

ALMA spectral surveys of C-rich AGB stars : J/A+A/684/A4 [dataset]

URI: https://cdsarc.cds.unistra.fr/viz-bin/cat/J/A+A/684/A4 DOI: 10.26093/cds/vizier.36840004

Mer information

Senast uppdaterat

2025-12-23