[論文レビュー] Dust cloud formation in stellar environments. II. Two-dimensional models for structure formation around AGB stars

P. Woitke, G. Niccolini|ArXiv.org|Apr 28, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 26被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、C豊富なAGB星の周囲のダスト形成ガスにおける放射/熱不安定性が、星に向かって向かう指状の、より冷たいダスト構造の形成を駆動することを示す2次元軸対称モデルを提示する。不安定性は、放射線輸送とダスト透過率のフィードバックループに起因し、自己遮蔽と局所的なダスト凝縮を引き起こし、星雲におけるコメット型くぼみに類似した特徴を再現する。

ABSTRACT

This paper reports on computational evidence for the formation of cloud-like dust structures around C-rich AGB stars. This spatio-temporal structure formation process is caused by a radiative/thermal instability of dust forming gases as identified by Woitke et al.(2000). Our 2D (axisymmetric) models combine a time-dependent description of the dust formation process according to Gail & Sedlmayr (1988) with detailed, frequency-dependent continuum radiative transfer by means of a Monte Carlo method (Niccolini et al.2003) in an otherwise static medium (v=0). These models show that the formation of dust behind already condensed regions, which shield the stellar radiation field, is strongly favoured. In the shadow of these clouds, the temperature decreases by several hundred Kelvin which triggers the subsequent formation of dust and ensures its thermal stability. Considering an initially dust-free gas with small density inhomogeneities, we find that finger-like dust structures develop which are cooler than the surroundings and point towards the centre of the radiant emission, similar to the cometary knots observed in planetary nebulae and star formation regions. Compared to a spherical symmetric reference model, the clumpy dust distribution has little effect on the spectral energy distribution, but dominates the optical appearance in near IR monochromatic images.

研究の動機と目的

• C豊富なAGB星の周囲の環境における塊状ダスト構造の形成を調査すること。
• ダスト形成ガスにおける放射/熱不安定性が、自己組織的で球対称でない構造を生じるかどうかを調査すること。
• 自己遮蔽と温度低下が、影の部分で新たに形成されたダストを安定化させる役割を特定すること。
• 塊状と球対称なダスト分布の間での光学的外観とスペクトルエネルギー分布の違いを比較すること。
• このような不安定性が、AGB星における非対称的な質量放出を駆動するメカニズムとしての可能性を評価すること。

提案手法

• Gail & Sedlmayr (1988) に基づく時間に依存するダスト形成処理を用いた2次元軸対称モデル。
• Niccolini et al. (2003) の方法により周波数依存の連続体放射線輸送を組み込む。
• 放射/熱的効果を分離するために、静的媒体で全速度がゼロ（$\vec{v} = 0$）とする。
• 球座標系における空間グリッドを用い、$N_r = 71$ 個の径方向および$N_\theta = 71$ 個の角度方向のセルを設け、トロイダルセルを形成する。
• 中間面より上では$C_2 = 0.10$、下では$0.03$ として、ガウス確率場を用いて初期の密度非均一性を導入する。
• 影の部分における自己遮蔽に応じたダスト形成、温度、透過率の進化を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダスト形成ガスにおける放射/熱不安定性が、球対称でない塊状ダスト構造を生じる可能性はあるか？
• RQ2 既存のダスト雲による自己遮蔽が、下流領域の温度とその後のダスト凝縮に与える影響は何か？
• RQ3 初期の密度非均一性が、指状ダスト構造の発達に与える影響は何か？
• RQ4 塊状ダスト分布は、球対称モデルと比較してスペクトルエネルギー分布にどのような影響を与えるか？
• RQ5 塊状構造がモノクローマチック画像における近赤外の光学的外観をどれほど支配するか？

主な発見

• 指状ダスト構造は、星からの放射線から遮蔽された領域に形成され、温度が数百度ケルビン低下する。
• 影の部分における温度低下が、さらなるダスト凝縮を引き起こし、新たに形成されたダストの熱的安定性を保証する。
• 塊状ダスト分布は、球対称モデルと比較して全体のスペクトルエネルギー分布にほとんど影響を与えない。
• 近赤外のモノクローマチック画像では、塊状構造が光学的外観を支配し、コメット型のくぼみに類似した外観を示す。
• 放射線遮蔽と冷却速度の低下により、すでに凝縮した領域の後方でダスト形成が強く促進される。
• モデルは、中心星に向かって向かう構造を示す、星雲で観測されたコメット型くぼみの形態を再現する。