[論文レビュー] Dust driven mass loss from carbon stars as a function of stellar parameters - I. A grid of Solar-metallicity wind models

Lars Mattsson, Rurik Wahlin+1 more|ArXiv.org|Sep 8, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 66

ひとこと要約

本研究では、周囲の放射場とダストの相互作用を周波数依存性を考慮した放射移動と、時間に依存するダスト形成を組み込んだ、太陽金属量の炭素星を対象とした900個の自己無矛盾な放射流体力学的モデルのグリッドを提示する。質量放出率が星のパラメータにどのように依存するかを体系的に調査した結果、ダスト駆動風はパラメータ空間において複雑な閾値を超えてのみ可能であることが判明した。質量放出率は炭素含有量、温度、光度、脈動速度に強く依存し、星の進化モデルにおける正確な質量放出の規定式を提供する公開のFORTRANルーチンが得られた。

ABSTRACT

[Abridged] We have computed a grid of 900 numeric dynamic model atmospheres (DMAs) using a well-tested computer code. This grid of models covers most of the expected combinations of stellar parameters, which are made up of the stellar temperature, the stellar luminosity, the stellar mass, the abundance of condensible carbon, and the velocity amplitude of the pulsation. The resultant mass-loss rates and wind speeds are clearly affected by the choice of stellar temperature, mass, luminosity and the abundance of available carbon. In certain parts of the parameter space there is also an inevitable mass-loss threshold, below which a dust-driven wind is not possible. Contrary to some previous studies, we find a strong dependence on the abundance of free carbon, which turns out to be a critical parameter. Furthermore, we have found that the dust grains that form in the atmosphere may grow too large for the commonly used small particle approximation of the dust opacity to be strictly valid. This may have some bearing on the wind properties, although further study of this problem is needed before quantitative conclusions can be drawn. The wind properties show relatively simple dependences on stellar parameters above the mass-loss threshold, while the threshold itself is of a more complicated nature. Hence, we chose not to derive any simplistic mass-loss formula, but rather provide a mass-loss prescription in the form of an easy-to-use FORTRAN routine. Since this mass-loss routine is based on data coming from an essentially self-consistent model of mass loss, it may therefore serve as a better mass-loss prescription for stellar evolution calculations than empirical formulae. Furthermore, we conclude that there are still some issues that need to be investigated, such as the role of grain-sizes.

研究の動機と目的

• 炭素豊富なAGB星における質量放出が、温度、光度、質量、炭素含有量、脈動速度といった主要な星のパラメータにどのように依存するかを体系的かつ包括的に調査すること。
• ダスト駆動風が形成される物理的条件、特に非自明な質量放出閾値の存在を特定すること。
• 詳細な放射移動とダスト形成の物理を組み込んだ、物理的に根拠のある自己無矛盾な質量放出規定式を、経験的公式の改善として開発すること。
• モデルで予測される粒子サイズの進化を検討することで、ダスト光学厚さに対する小粒子近似の有効性を評価すること。
• 星の進化および核合成計算に使用可能な、容易にアクセス可能な公開のFORTRANルーチンを、補間されたモデルデータに基づいて提供すること。

提案手法

• 広範な星のパラメータ範囲にわたる900個の動的モデル大気（DMAs）を計算するために、検証済みのコードを用いた数値的放射流体力学（RHD）モデリング。
• 周囲環境における放射場とダストの相互作用を正確にモデル化するため、周波数依存性を考慮した放射移動の組み込み。
• 核生成、凝縮、粒子成長を含む時間に依存するダスト形成の取り扱いにより、風領域における現実的なダスト生成をシミュレート。
• ガス力学とダスト力学の自己無矛盾な結合を用い、ダスト粒子への放射圧が運動量移動によって風を駆動する仕組み。
• 5次元パラメータ空間（T_eff, L, M, C/O, Δu_p）におけるモデル結果の補間により、質量放出率の照合表を作成。
• 解像度効果（64対440周波数点）のテストとパラメータ変動への感受性の評価により、モデルの堅牢性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素星におけるダスト駆動風の発生・抑制を決定づける星のパラメータの組み合わせは何か？
• RQ2 有効温度、光度、星の質量、炭素含有量、脈動速度の変化に伴い、質量放出率と風速はどのように変化するか？
• RQ3 モデルで予測される粒子サイズを踏まえると、ダスト光学厚さに対する小粒子近似はどの程度有効であるか？
• RQ4 パラメータ空間における質量放出閾値の性質は何か？また、単純な経験的閾値よりも複雑な理由は何か？
• RQ5 経験的フィットに代わる、第一原理のモデルから物理的に整合性のある自己校正型の質量放出規定式を導出できるか？

主な発見

• 炭素星における質量放出は、凝縮可能な炭素の含有量に強く依存しており、その閾値未満ではダスト駆動風を維持できない。
• 閾値を超えた領域では、風の性質（質量放出率と風速）は星のパラメータに対して相対的に単純な依存関係を示すが、閾値自体は温度、炭素含有量、光度の複雑な相互作用に起因する。
• 脈動振幅が4.0 km s⁻¹のモデルでは、典型的な質量放出率が数×10⁻⁶ M☉ yr⁻¹程度となり、10⁻⁷ M☉ yr⁻¹未満の質量放出率を示すモデルは一切存在しなかった。これは、極めて低い質量放出率を維持することが物理的に困難である可能性を示唆している。
• 風速は1〜60 km s⁻¹の範囲にあり、最も炭素が豊富でAGBの頂点にある星で最も速い風が発生するが、観測された炭素星では風速が40 km s⁻¹を超えるものはめったに見られない。これは選択的バイアスの可能性がある。
• 風を生成するモデルにおける特徴的な粒子サイズは約10⁻⁵ cmに達し、これは小粒子近似が厳密には成立しない大きさであるため、光学厚さモデルに潜在的な制限がある可能性を示している。
• 粒子サイズと風速、粒子サイズと炭素含有量の間には逆相関が見られ、これはダスト形成領域における核生成と成長の timescales の間の競合を反映している。