[論文レビュー] Accretion and diffusion in white dwarfs. New diffusion timescales and applications to GD362 and G29-38

D. Koester|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 46被引用数 128

ひとこと要約

この論文は、白色矮星の大気における広範な元素の新しい拡散時効を計算し、定常状態の降着-拡散平衡に達した際、観測された大気中組成が降着組成からわずか2–4倍の違いにとどまることを示している。本研究では、GD 362およびG 29-38にこれらのモデルを適用し、元の降着物質（破壊された小惑星など）の組成を信頼性高く推定するには、降着歴および時効を事前に把握する必要があることを明らかにした。

ABSTRACT

A number of cool white dwarfs with metal traces, of spectral types DAZ, DBZ, and DZ have been found to exhibit infrared excess radiation due to circumstellar dust. The origin of this dust is possibly a tidally disrupted asteroid that formed a debris disk now supplying the matter accreting onto the white dwarf. To reach any clear conclusions from the observed composition of the white dwarf atmosphere to that of the circumstellar matter, we need a detailed understanding of the accretion and diffusion process, in particular the diffusion timescales. We aim to provide data for a wide range of white dwarf parameters and all possible observed chemical elements. Starting from atmosphere models, we calculate the structure of the outer envelopes, obtaining the depth of the convection zone and the physical parameters at the lower boundary. These parameters are used to calculate the diffusion velocities using calculations of diffusion coefficients available in the literature. With a simple example, we demonstrate that the observed element abundances are not identical to the accreted abundances. Reliable conclusions are possible only if we know or can assume that the star has reached a steady state between accretion and diffusion. In this case, most element abundances differ only by factors in the range 2-4 between atmospheric values and the circumstellar matter. Knowing the diffusion timescales, we can also accurately relate the accreted abundances to the observed ones. If accretion has stopped, or if the rates vary by large amounts, we cannot determine the composition of the accreted matter with any certainty.

研究の動機と目的

• 白色矮星大気における広範な化学的元素の正確な拡散時効を計算し、既存の文献を超えて拡張すること。
• 破壊された小惑星や銀河間媒体からの降着物質の真の組成と観測された大気中組成との間の矛盾を解消すること。
• 赤外線過剰を示す（周囲惑星環状ダストを示唆する）冷却白色矮星における金属組成を解釈するためのフレームワークを提供すること。
• 特に指数関数的に減少する降着率が、大気中組成の進化に与える影響を評価すること。
• 計算された時効を用いて拡散効果を補正することで、降着物質の組成についてより信頼性の高い推定を可能にすること。

提案手法

• 対流圏の深さおよびエンベロープ下部の物理的状態を特定するための詳細な白色矮星大気モデルの構築。
• 得られた物理的パラメータに基づき、発表済みの拡散係数計算を用いて、元素ごとの拡散速度を計算すること。
• 時間依存の降着率を含む拡散方程式の適用、特に指数関数的降着の解析的解（例：τ_acc = 1.5×10⁵ yrs）の使用。
• 時間経過に伴う組成の進化を数値的および解析的にモデリングし、降着が停止または変化する一時的状態と定常状態の解を比較すること。
• GD 362およびG 29-38の観測組成をモデル予測と比較し、時効補正を用いて降着組成を推定すること。
• 高分解能・高信噪比分光測定の制約を組み込み、組成決定および補正の精度を向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力沈降および拡散を考慮すると、GD 362やG 29-38のような白色矮星における観測された大気中組成は、降着物質の真の組成をどの程度反映しているのか。
• RQ2 定常状態の降着-拡散平衡において、異なる元素の拡散時効が、降着組成と観測組成の関係にどのように影響を与えるか。
• RQ3 降着率が一定でない場合、特に時間とともに指数関数的に減少する場合、降着物質の起源にどのような影響が生じるか。
• RQ4 降着が定常状態でない場合、GD 362の観測組成比が太陽類似組成と整合する可能性はあるか。
• RQ5 降着時効と拡散時効を用いて、銀河間媒体からの降着と破壊された小惑星からの降着をどのように区別できるか。

主な発見

• 白色矮星における観測された大気中組成は、降着組成と同一ではない。定常状態の降着-拡散平衡に達した際、一般的に2–4倍の違いにとどまる。
• GD 362において、指数関数的降着モデル下で観測と一致させるには、定常降着率の場合と比較して初期降着率を2倍にしなければならない。
• 指数関数的降着（τ_acc = 1.5×10⁵ yrs）の場合、元素の組成は最大値に達した後、低下するが、ピーク到達時間は個々の拡散時効に依存する。
• 降着時効が拡散時効よりも長い場合、最終的な組成比は拡散時効の比と降着時効の比に依存し、単に拡散の影響だけではない。
• 降着が停止したり、顕著に変化したりすると、元の降着組成からの大きなずれが生じるため、降着歴を把握しない限り、源の組成を信頼性高く推定することは不可能である。
• モデルは、GD 362における水素はシリコンと太陽比で降着されていない可能性を示しており、これは非常に初期の降着段階、または水を多く含む小惑星のような水素が欠乏した源である可能性を示唆している。