Understanding born-again planetary nebulae and their progenitors
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Montoro Molina, BorjaEditorial
Universidad de Granada
Director
Guerrero Roncel, Martín A.Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Física y Ciencias del EspacioFecha
2024Fecha lectura
2024-09-13Referencia bibliográfica
Borja Montoro Molina. Understanding born-again planetary nebulae and their progenitors. Granada: Universidad de Granada, 2024. [https://hdl.handle.net/10481/97450]
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Tesis Univ. Granada.Resumen
Born-again planetary nebulae (PNe) have unique chemical and kinematic properties. They
form when the central star of the nebula, evolving to become a white dwarf, builds a He shell
which at a certain point reaches critical mass and ignites, producing a very late thermal pulse.
This event ejects highly processed, H-poor and C-rich material at high velocities that expand
inside the previously ejected, H-rich nebula. As a result, the central stars rapidly cool and
return to the asymptotic giant branch (AGB), and then follow a somehow similar evolution to
that they did during the post-AGB phase. In a sense, the star is "born again."
So far, only four born-again PNe have been con rmed: V4334 Sgr (Sakurai's Object), A
30, A 58, and A 78, while others have been proposed to belong to this group, such as HuBi 1,
Fg Sagittae, IRAS 15154−5258, IRAS 18333−2357, and WR 72. Despite the small number
of born-again PNe, compared to the total number of PNe (∼4000), it is argued that ∼20%
of of all PN central stars have gone through a born-again event. The small number is in line
with the short duration of the VLTP (∼20 100 years). They are, therefore, exceptional objects
whose characterization helps us understand this extraordinary phase of the stellar evolution of
low- and intermediate-mass stars.
This thesis aims at contributing to the understanding of the born-again phenomenon in
PNe by investigating the ionization mechanisms involved in born-again PNe, their chemical
abundances, and their morphology and spatio-kinematics by means of optical integral eld
unit and long-slit spectroscopy. This thesis inquires into a series of issues regarding the nature
of these sources and their emission mechanisms that are frequently overlooked.
We have focused our e orts on three particular born-again planetary nebulae, HuBi 1, A58,
and A78.
In HuBi 1, the con rmation of its born-again nature was awaiting the determination of the
H-poor nature of its recent ejecta. Using the capabilities of the MEGARA IFU at GTC, we have
separated the emission originating from the recent ejecta, uncontaminated from the emission
of the H-rich outer nebula. This has allowed the creation of extinction maps and the precise
calculation of both Te and ne for these di erent structures. Using the mappings software,
which accounts for the presence of shocks, the abundances in the ejecta were determined. The
H de ciency of the recent ejecta is con rmed, supporting the occurrence of a born-again event
in HuBi 1 about 250 ago. This has increased the number of reliably con rmed born-again cases
to ve.
For A58, we conducted two studies in synergy. First, we detected variability in the emission
lines of long-slit spectra of A 58 over a span of 27 years (1994-2021), approximately 80-100
years after the VLTP. The variability an lines ratios indicated the existence of shocks, rather
than the previously suggested photoionization excitation of the gas, and a complex morphokinematic
structure similar to that reported for Sakurai's Object. These results inspired us to
investigate the detailed kinematics of ionized and molecular gas in A 58 using GTC MEGARA
IFS and ALMA data. We proposed a model of the morphology of the ionized material in A 58,
showing a complex structure indicative of an hourglass-like morphology, contrary to the diskjet
morphology seen in molecular emission. The use of ALMA data was crucial, as without it, the information provided by the optical emission could have been misinterpreted. This work,
along with similar studies conducted on Sakurai's Object, highlights the signi cant role played
by molecular gas in the evolution of born-again PNe.
Finally, for A78 we have demonstrated by using long-slit spectra that it shows inhomogeneities
in extinction, physical conditions, and chemical abundances. Treating the latter with
special care, we con rm the de ciency in H in the central region and that the N/O ratio is
consistent with a born-again scenario. Additionally, abundances in the structure known as the
eye-like reveal a mixture between the recent H-poor ejecta and the old H-rich nebula.
These results have helped us understand in more detail the complex nature of born-again
PNe and will support other studies of long-standing problems associated to these sources. Las nebulosas planetarias born-again (NPs) tienen propiedades químicas y cinemáticas
únicas. Se forman cuando la estrella central de la nebulosa, evolucionando para convertirse en
una enana blanca, desarrolla una capa de He que en cierto punto alcanza masa crítica y se
enciende, produciendo un pulso térmico muy tardío. Este evento expulsa material altamente
procesado, pobre en H y rico en C a altas velocidades que se expanden dentro de la nebulosa
previamente expulsada, rica en H. Como resultado, las estrellas centrales se enfrían rápidamente
y vuelven a la rama asintótica gigante (AGB), y luego siguen una evolución algo similar a la
que tuvieron durante la fase post-AGB. En cierto sentido, la estrella "renace".
Hasta ahora, solo se han con rmado cuatro NPs born-again: V4334 Sgr (Objeto de Sakurai),
A 30, A 58 y A 78, mientras que otras han sido propuestas para pertenecer a este grupo, como
HuBi 1, Fg Sagittae, IRAS 15154−5258, IRAS 18333−2357 y WR 72. A pesar del pequeño
número de NPs born-again, en comparación con el número total de NPs (∼4000), se argumenta
que ∼20% de todas las estrellas centrales de PN han pasado por un evento renacido. El pequeño
número está en línea con la corta duración del VLTP (∼20 100 años). Por lo tanto, son objetos
excepcionales cuya caracterización nos ayuda a entender esta extraordinaria fase de la evolución
estelar de estrellas de masa baja e intermedia.
Esta tesis tiene como objetivo contribuir al entendimiento del fenómeno renacido en las NPs
investigando los mecanismos de ionización involucrados en las NPs born-again, sus abundancias
químicas y su morfología y espaciotemática mediante espectroscopía de campo integral óptico
y de rendija larga. Esta tesis indaga en una serie de cuestiones respecto a la naturaleza de
estas fuentes y sus mecanismos de emisión que frecuentemente se pasan por alto.
Nos hemos enfocado en tres nebulosas planetarias born-again en particular, HuBi 1, A58 y
A78.
En HuBi 1, la con rmación de su naturaleza renacida estaba pendiente de la determinación
de la naturaleza pobre en H de sus eyecciones recientes. Usando las capacidades del IFU
MEGARA en el GTC, hemos separado la emisión originada de las eyecciones recientes, no
contaminada por la emisión de la nebulosa externa rica en H. Esto ha permitido la creación
de mapas de extinción y el cálculo preciso de ambos Te y ne para estas diferentes estructuras.
Usando el software de mapeos, que tiene en cuenta la presencia de choques, se determinaron las abundancias en las eyecciones. La de ciencia de H de las eyecciones recientes está con rmada,
apoyando la ocurrencia de un evento renacido en HuBi 1 hace unos 250 años. Esto ha
aumentado el número de casos renacidos con rmados de manera able a cinco.
Para A58, realizamos dos estudios en sinergia. Primero, detectamos variabilidad en las
líneas de emisión de los espectros de rendija larga de A 58 durante un lapso de 27 años (1994-
2021), aproximadamente 80-100 años después del VLTP. Las ratios de variabilidad y líneas
indicaron la existencia de choques, en lugar de la excitación de fotoionización del gas previamente
sugerida, y una estructura morfo-cinemática compleja similar a la reportada para el
Objeto de Sakurai. Estos resultados nos inspiraron a investigar la cinemática detallada del gas
ionizado y molecular en A 58 usando datos de GTC MEGARA IFS y ALMA. Propusimos un
modelo de la morfología del material ionizado en A 58, mostrando una estructura compleja
indicativa de una morfología en forma de reloj de arena, en contraste con la morfología de
disco-jet vista en la emisión molecular. El uso de datos
de ALMA fue crucial, ya que sin ello, la información proporcionada por la emisión óptica
podría haber sido malinterpretada. Este trabajo, junto con estudios similares realizados sobre
el Objeto de Sakurai, resalta el papel signi cativo del gas molecular en la evolución de las NPs
born-again.
Finalmente, para A78 hemos demostrado mediante espectros de rendija larga que muestra
inhomogeneidades en extinción, condiciones físicas y abundancias químicas. Tratando estas
últimas con especial cuidado, con rmamos la de ciencia en H en la región central y que la
relación N/O es consistente con un escenario renacido. Además, las abundancias en la estructura
conocida como el ojo revelan una mezcla entre las eyecciones recientes pobres en H y la
nebulosa antigua rica en H.
Estos resultados nos han ayudado a entender en más detalle la naturaleza compleja de las
NPs born-again y apoyarán otros estudios de problemas de larga data asociados a estas fuentes.