[論文レビュー] Dust Formation in the Presence of Photons I: Evaporation Rates for Small Dust Grains

C. S. Kochanek|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、放射場内の微小なダスト粒子の蒸発速度についての解析的モデルを構築し、とくに紫外線（UV）光子による確率的加熱が衝突冷却を上回り、ダスト形成が放射場の硬さに極めて敏感であることを示している。炭素系およびケイ酸塩ダスト粒子の有効蒸発温度の補間式を導出し、高UV放射場下でダスト形成が可能なのはG型およびF型の星に限られることを明らかにした。これは、OH/IR星やLBV星における断続的なダスト形成を、質量放出率の変化ではなく、見かけの温度変化によって説明できる。

ABSTRACT

The temperature of newly forming dust is controlled by the radiation field. As dust forms around stars, stellar transients, quasars or supernovae, the grains must grow through a regime where they are stochastically heated by individual photons. Since evaporation rates increase exponentially with temperature while cooling times decrease only as a power law, the evaporation rates for these small grains are dominated by the temperature spikes. We calculate effective evaporation temperatures for a broad range of input spectra that are encapsulated in a series of simple interpolation formulae for both graphitic and silicate grains. These can be easily used to first determine if dust formation is possible and then to estimate the radius or time at which it commences for a broad range of radiation environments. With these additional physical effects, very small grains may form earlier than in standard models of AGB winds. Even for very high mass loss rates, the hottest stars that can form dust are G and F stars particularly in the case of silicate dusts. For hotter stars, the higher fluxes of ultraviolet photons prevent dust formation. Thus, episodic dust formation by OH/IR stars and LBVs is primarily driven by fluctuations in their apparent temperatures rather than changes in luminosity or mass loss rates.

研究の動機と目的

• 微小ダスト粒子の形成過程において、光子による確率的加熱が蒸発速度に与える影響を定量化すること。
• とくに高温星周囲のUV光子支配の放射場において、ダスト形成が成立する条件を特定すること。
• LBV星やOH/IR星のような星におけるダスト形成の断続的性質が、質量放出率や光度の変化ではなく、温度の変動によって説明できるかを明らかにすること。
• 多様な天体物理学的放射環境に適用可能な、実用的で補間ベースの有効蒸発温度の式を提供すること。

提案手法

• 個々の光子による微小粒子（N ≈ 10–100 粒子）の確率的加熱を、放射移動と粒子熱平衡のモデルで扱う。
• 式24を用いて、粒子サイズ（N）、黒体温度（T_bb）、および放射温度（T_*）の関数として有効蒸発温度を導出する。
• 振動モードの量子力学的モデルを用いて蒸発エネルギーと蒸発率を推定し、指数関数的温度依存性を考慮する。
• 冷却時間（べき乗則）と蒸発率（温度の指数関数的依存性）を比較し、短時間の温度上昇時に蒸発が支配的であることを示す。
• 炭素系およびケイ酸塩ダスト粒子の補間式を構築し、さまざまな放射環境下でのダスト形成可能性を推定する。
• AGB星、超新星、クェーサー、および星の瞬時的変動天体など、既知の天体物理学的系との比較により妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低密度・高温の放射場下で、微小ダスト粒子の蒸発速度に及ぼす確率的光子加熱イベントの影響は何か？
• RQ2 さまざまな放射スペクトルにさらされた微小ダスト粒子の有効蒸発温度は何か？ そして、天体物理学的モデルに適用可能なパラメータ化は可能か？
• RQ3 B型星では高い質量放出率があるにもかかわらず、なぜダストが形成されないのか？ UV放射がその抑制に果たす役割は何か？
• RQ4 一時的な加熱イベントにより、形成中のダスト粒子の見かけの温度はガス温度とどのように異なるか？
• RQ5 LBV星やOH/IR星における断続的なダスト形成は、光度や質量放出率の変化ではなく、放射場の有効温度の変化によって説明可能か？

主な発見

• 低密度環境下では、UV光子による確率的加熱が衝突冷却を上回り、蒸発速度は一時的な温度上昇に指数関数的に敏感である。
• 微小ダスト粒子の有効蒸発温度は放射場の硬さに強く依存し、T_*が高くなるとダスト形成が急速に抑制される。
• 高UV環境下でダスト形成が可能なのはG型およびF型の星に限られ、B型星は極めて高いUVフラックスのため、高い質量放出率であってもダストを形成できない。
• ケイ酸塩ダストでは蒸発閾値が低く、炭素系ダストよりも放射場の硬さに対してより感受性が強い。
• OH/IR星やLBV星における断続的なダスト形成は、主に見かけの恒星温度の変化に起因し、光度や質量放出率の変化とは無関係である。
• T_* ≈ 25,000 K（UVカットオフ後も）のクェーサー噴出ガスでは、確率的加熱が非常に強く、ダスト形成はもはや不可能であると予測され、観測されたPAH特徴線の欠如と整合的である。