[論文レビュー] Dust Formation and Winds around Evolved Stars: The Good, the Bad and the Ugly Cases

S. Hoefner|ArXiv.org|Mar 30, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本レビューは、特にAGB星を対象として、宇宙線駆動流におけるケイ酸塩と炭素ダストの役割に注目し、赤矮星におけるダスト形成および風駆動の現在の理解を統合する。風駆動に適したダスト粒子の重要な基準を特定し、S型星およびマイナーなダスト種における未解決の問題を強調し、自己一貫性のある3次元モデルへの道筋を前進させる。

ABSTRACT

Cool luminous giants, in particular asymptotic giant branch stars, are among the most important sources of cosmic dust. Their extended dynamical atmospheres are places where grains form and initiate outflows driven by radiation pressure, leading to considerable stellar mass loss and the enrichment of the interstellar medium with newly-produced elements. This review summarizes the current understanding of dust formation and winds in such stars, sketching a system of criteria for identifying crucial types of dust grains in the range of possible condensates. Starting with an overview of the specific conditions for dust formation in cool dynamic atmospheres, the role of grains as wind drivers, as well as their influence on observable properties of cool giants and the circumstellar environment is discussed in some detail. Regarding the literature, special attention is given to current developments, e.g., the debate concerning the Fe-content and size of silicate grains in M-type AGB stars which are critical issues for the wind mechanism, or recent advances in spatially resolved observations and 3D modeling of giants and their dusty envelopes.

研究の動機と目的

• 冷却された進化星、特に漸近巨星分支（AGB）星におけるダスト形成および風駆動の現在の理解を統合すること。
• 風駆動に効果的に寄与するダスト種を特定・評価するための物理的および化学的基準を特定すること。
• 質量放出を通じた銀河間媒体の化学的豊度向上および周囲環境の形状形成におけるダストの役割を評価すること。
• CおよびOがCOにほとんど固定されているS型星や低濃度のダスト種において、従来の風駆動機構が失敗する理由を明らかにし、未解決の問題を強調すること。
• 観測的知見、実験室データ、数値モデルの進展を統合し、ダスト駆動質量放出の自己一貫性のある記述を構築すること。

提案手法

• 冷却され、動的変化が激しい星の大気の状態を分析し、ガスの上昇と冷却を引き起こすショック波および脈動を、ダスト凝縮のための条件として強調する。
• 熱力学的および化学平衡モデルを用いて、C/O比に基づく妥当な凝縮生成物を特定する。特にM型星におけるケイ酸塩（オリビン／パイラジン型）とC型星における非晶質炭素に焦点を当てる。
• 放射断面積、光学的密度、凝縮温度、濃度といった粒子の性質を評価し、風駆動に適した候補を同定する。
• 赤外分光法、ミリ波・サブミリ波長観測、および干渉計測定による観測的制約をレビューし、理論的予測の妥当性を検証する。
• 実験室で得られたダスト類縁体のデータと数値モデルを統合し、ダスト環境の3次元シミュレーションおよび非灰色放射移動効果を含むモデルを構築する。
• 核種としての核生成とケイ酸塩の結晶性・非晶質性の役割を、スペクトル的特徴および熱的性質の制約を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却され、動的変化が激しい大気において、進化星におけるダスト粒子形成を可能にする物理的および化学的条件は何か？
• RQ2 特にM型星におけるケイ酸塩とC型星における炭素ダストといったダスト種の中で、放射圧によって効果的に質量放出を駆動できるのはどれか？
• RQ3 CおよびOがほとんどCOに固定されているS型AGB星は、ダスト形成元素が豊富でないにもかかわらず、C型およびM型星と同様の風の特徴を示すのはなぜか？
• RQ4 非灰色効果がダスト粒子の温度および凝縮距離に与える影響によって、鉄がケイ酸塩に取り込まれるのをどれほど抑制するのか？
• RQ5 希少または低光学的密度のダスト種は、核生成においてどのような役割を果たすのか？なぜ低濃度であるにもかかわらず、極めて重要なのか？

主な発見

• AGB星におけるダスト形成は、ショック波に起因する冷却とガスの上昇によって駆動され、光球面の上に一時的で密度が高く、冷却された層で固体の凝縮が可能になる。
• C型AGB星における非晶質炭素ダストは、高い放射断面積と高い濃度のおかげで、強力な風駆動粒子とみなされる。これは観測された質量放出率 $10^{-7}-10^{-4} ext{ M}_igodot/ ext{yr}$ と整合的である。
• M型AGB星では、ケイ酸塩ダスト（オリビンおよびパイラジン型）が風駆動の主な候補とされるが、鉄含有量や結晶性に関する不確実性は依然として残っている。
• 非灰色放射移動効果は、ケイ酸塩ダストへの鉄の取り込みを抑制する可能性があり、その結果、光学的密度が低下し、風駆動粒子としての有効性が脅かされる。
• S型AGB星は大きな課題を呈する：ダスト形成に必要な余剰なCやOが不足しているため、風駆動が非効率であると予想されるが、観測された風の存在は、未知のメカニズムまたは未知のダスト種の存在を示唆している。
• マイナーなダスト種は濃度や光学的密度が低いにもかかわらず、核生成において重要な役割を果たす可能性があるが、その理解は不十分であり、動的モデルにもほとんど組み込まれていない。