[論文レビュー] Dust cleansing of star-forming gas I: Did radiation from bright stars affect the chemical composition of the Sun and of M67?

B. Gustafsson|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、明るい初期型星からの放射が、原始太陽系および原始M67星形成雲からのチリを放射力によって洗浄する可能性があるかどうかを調査している。半解析的モデルを用い、運動量保存則に基づいて解析した結果、チリ洗浄はH II領域のまわりに薄い殻状に限局しており、乱流や幾何的制約のため、太陽やM67で観測された元素異常を説明するには不十分であることが判明した。

ABSTRACT

The possibility that the solar chemical composition, as well as the similar composition of the rich open cluster M67, have been affected by dust cleansing of the pre-solar/pre-cluster cloud, due to the radiative forces from bright early-type stars in its neighbourhood, is explored. Estimates, using semi-analytical methods and essentially based on momentum conservation, are made of possible dust-cleansing effects. Our calculations indicate that the amounts of cleansed neutral gas are limited to a relatively thin shell surrounding the HII region around the early-type stars. It seems possible that the proposed mechanism acting in individual giant molecular clouds may produce significant abundance effects for masses corresponding to single stars or small groups of stars. The effects of cleansing are, however, severely constrained by the thinness of the cleansed shell of gas and by turbulence in the cloud, why the mechanism can hardly be important in cleansing masses corresponding to rich clusters, such as the mass of the original M67.

研究の動機と目的

• 近接する初期型星からの放射力が、原始太陽およびM67の化学組成に与える影響を評価すること。具体的には、放射圧によるチリの除去が化学組成に与える影響を検討する。
• 太陽で観測された元素異常（揮発性元素の過剰、難揮発性元素の欠乏）を説明するためのチリ洗浄メカニズムの妥当性を評価すること。
• 豊富な星（約20,000顆）を有する恒星集団M67に見られる類似した元素パターンが、このメカニズムによって説明可能かどうかを検証すること。
• 星形成雲内で、このメカニズムによって洗浄可能なガス質量の上限を確立すること。
• M67および太陽で観測された元素異常が、銀河化学進化や惑星形成プロセスではなく、局所的なチリ洗浄によって生じる可能性があるかどうかを検討すること。

提案手法

• 中心に明るい星を有する均一で密度の高いチリを含む分子雲の半解析的モデルを用い、放射駆動によるチリの運動を模擬する。
• 運動量保存則を適用して、放射がチリ粒子に及ぼす力とそれに伴うガスの抵抗力の大きさを推定する。
• 摩擦力によるチリ-ガス結合をモデル化し、チリの運動が周囲のガスを引きずり込み、流れ出しを引き起こすプロセスを追跡する。
• H II領域の力学的挙動と、放射圧によってチリが欠乏した薄い外側のガス殻が形成されることを考慮する。
• 乱流や不安定性が存在しない理想的な状況を仮定し、洗浄可能なガス質量の最大値を推定する。
• 予測されたチリ洗浄効率を、太陽およびM67で観測された元素異常と比較し、その妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周囲の星形成雲に存在する初期型星からの放射が、太陽で観測された難揮発性元素の欠乏と揮発性元素の過剰を説明できるか？
• RQ2 M67が形成されたような質量的・密度的に大きな雲において、放射圧によるチリ洗浄が化学組成に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 質量の大きな星からの放射力によって、チリが効果的に洗浄されるガス領域は、どの程度の厚さと広がりを示すか？
• RQ4 乱流、衝撃波、不安定性が、現実の銀河的環境におけるチリ洗浄の効率に及える制約は何か？
• RQ5 M67で観測された元素パターンは、自身の初期の質量の大きな星による自己洗浄に起因するものか、それとも他の説明を検討する必要があるか？

主な発見

• 初期型星からの放射圧によるチリ洗浄は、チリ粒子の急速な減速と強いガス抵抗のため、H II領域の周囲に薄い殻状に限局する。
• 洗浄可能なガス質量の最大値は、M67の元素異常を説明するのに必要な量に比べて著しく不足しており、クラスタの初期ガス貯留量と同等の洗浄が不可欠である。
• 雲内での乱流は、効果的な洗浄に必要な速度と比較して、チリ-ガスの相対速度を数桁から数オーダーも低下させ、このメカニズムの効率を著しく制限する。
• 理想的な条件でも、モデルは観測された太陽およびM67の元素パターンに一致するのに必要な洗浄量のわずか一部しか予測しない。
• このメカニズムは、原始太陽系のような小規模な系に対してはより現実的であるが、M67のような大規模な集団では不適切である。
• M67が太陽に類似した元素異常を示すという事実は、チリ洗浄仮説を支持しない。なぜなら、このメカニズムでは必要なガス量の洗浄を説明できないからである。