[論文レビュー] Dust driven mass loss from carbon stars as function of stellar parameters - II. Effects of grain size on wind properties

Lars Mattsson, S. Höfner|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 14被引用数 23

ひとこと要約

本研究は、小粒子近似（SPL）の範囲を超えた一般化されたダスト吸収率計算を用いた放射線流体ダイナミクスモデルを用いて、炭素豊富なA型巨星星におけるダスト駆動型質量損失に及ぼす粒子径の影響を調査する。SPL近似は、臨界的でしきい値に近いモデルでは質量損失と風速を著しく低く見積もっているが、成熟した流れでは自己調整フィードバックによる粒子成長と放射力加速の相互作用のため、影響は小さい。

ABSTRACT

[Abridged] In this paper we explore grain size effects on wind properties of carbon stars, using a generalized description of radiative cross sections valid for particles of arbitrary sizes. The purpose of the study is to investigate under which circumstances the small particle limit (SPL) may give acceptable results, and to quantify the possible errors that may occur when it does not hold. The time-dependent description of grain growth in our detailed radiation-hydrodynamical models gives information about dust particle radii in every layer at every instant of time. These grain radii are used for computing opacities and determining the radiative acceleration of the dust-gas mixture. It is shown that in the critical cases the effect of the generalized description of dust opacities can be significant, resulting in more intense mass loss and higher wind velocities compared to models using SPL opacities. For well-developed winds, however, grain size effects on mass loss rates and wind velocities are found to be small. Both groups of models tend towards lower degrees of dust condensation compared to corresponding SPL models, due to a self-regulating feedback between grain growth and radiative acceleration. Consequently, the "dust-loss rates" are lower in the models with the generalized treatment of grain opacities. We conclude that our previous results on mass loss rates obtained with SPL opacities are reliable within a wide region of stellar parameter space, except for critical cases close to thresholds of dust-driven outflows where SPL models will tend to underestimate the mass loss rates and wind velocities.

研究の動機と目的

• 炭素星のダスト駆動風をモデル化する際の小粒子近似（SPL）の妥当性を評価すること。
• 粒子径が星の放射波長と同程度に近づく場合にSPL近似によって生じる誤差を定量化すること。
• 時間依存的な放射線流体ダイナミクスモデルにおいて、粒子成長が放射力加速および風の性質に与える影響を調査すること。
• 異なる星のパrameter領域において、一般化されたダスト吸収率を用いたモデルとSPL近似を用いたモデルを比較すること。
• SPLモデルが質量損失率および風速を信頼できる精度で予測できる条件を特定すること。

提案手法

• 非平衡的ダスト形成および粒子成長を含む時間依存的放射線流体ダイナミクスモデルを用いる。
• 任意の粒子径に対して有効な一般化されたミー理論を用いてダスト吸収率を計算し、標準的な小粒子近似（SPL）に代わる。
• 時間依存的なダスト成長シミュレーションから得た粒子半径を、各空間的・時間的ポイントにおける吸収率および放射力加速計算に反映する。
• SPLモデルと一般化された吸収率を用いたモデルの間で、質量損失率、終端速度、ダスト対ガス比、凝縮分率といった風の性質を比較する。
• 成熟した流れと、風形成のしきい値に近い臨界的ケースの2つのモデル群を分析する。
• ガスおよびダストの波長依存的放射線輸送を、流体力学およびダスト核生成／成長と結合して適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小粒子近似（SPL）を用いた予測と比較して、炭素星における粒子径の影響が質量損失率および風速にどのように影響を及ぼすか。
• RQ2 ダスト駆動風をモデル化する際、SPL近似が無効となる星のパrameter空間の領域はどこか。
• RQ3 粒子成長と放射力加速の自己調整フィードバックが風の性質に果たす役割は何か。
• RQ4 SPLと一般化された吸収率処理を用いたモデルの間で、ダスト凝縮分率にどのような差が生じるか。
• RQ5 臨界的でしきい値に近いケースにおいて、SPLモデルが質量損失率および風速をどの程度低く見積もるか。

主な発見

• ダスト駆動風形成のしきい値に近い臨界的ケースでは、一般化された吸収率処理を用いたモデルはSPLモデルと比較して著しく高い質量損失率および風速を示す。
• 成熟した流れでは、粒子径の影響が質量損失率および風速にほとんど及ばないため、SPLモデルはこの領域では依然として信頼できる。
• SPLモデルおよび一般化されたモデルの両方で、粒子成長と放射力加速の自己調整フィードバックのため、以前の仮定よりもダスト凝縮分率が低くなる。
• 一般化された吸収率を用いたモデルでは、ダスト凝縮が減少するため、『ダスト損失率』（単位時間あたりに失われるダストの質量）が低くなる。
• 特に低光度で高効果温度のモデルでは、SPL近似は臨界的でしきい値に近いケースにおいて、質量損失率および風速を最大数個のオーダーも低く見積もっている。
• 本研究は、SPL吸収率に基づく従来の結果が、星のパrameter空間の大部分では妥当であることを確認したが、風形成のしきい値に近い領域を除いては成り立つ。