[論文レビュー] Dynamic atmospheres and winds of cool luminous giants, I. Al$_2$O$_3$ and silicate dust in the close vicinity of M-type AGB stars

S. Höfner, Sara Bladh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 67被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、M型 AGB 星の大気および風において酸化アルミニウム（Al₂O₃）ダストの形成を、時間に依存する放射圧動力学的モデルを用いて調査した。Al₂O₃が放射加熱に耐えるためには、可視光・近赤外域で虚数屈折率k ≤ 10⁻³の極めて透明な性質を示す必要があることが判明した。単独では風を駆動できないが、ケイ酸塩被膜の成長の種として機能し、質量放出を増加させ、脈動サイクル中の観測された色の変化と一致する。

ABSTRACT

High spatial resolution techniques have given valuable insights into the mass loss mechanism of AGB stars, which presumably involves a combination of atmospheric levitation by pulsation-induced shock waves and radiation pressure on dust. Observations indicate that Al$_2$O$_3$ condenses at distances of about 2 stellar radii or less, prior to the formation of silicates. Al$_2$O$_3$ grains are therefore prime candidates for producing the scattered light observed in the close vicinity of several M-type AGB stars, and they may be seed particles for the condensation of silicates at lower temperatures. We have constructed a new generation of Dynamic Atmosphere & Radiation-driven Wind models based on Implicit Numerics (DARWIN), including a time-dependent treatment of grain growth & evaporation for both Al$_2$O$_3$ and Fe-free silicates (Mg$_2$SiO$_4$). The equations describing these dust species are solved in the framework of a frequency-dependent radiation-hydrodynamical model for the atmosphere & wind structure, taking pulsation-induced shock waves and periodic luminosity variations into account. Condensation of Al$_2$O$_3$ at the close distances and in the high concentrations implied by observations requires high transparency of the grains in the visual and near-IR region to avoid destruction by radiative heating. For solar abundances, radiation pressure due to Al$_2$O$_3$ is too low to drive a wind. Nevertheless, this dust species may have indirect effects on mass loss. The formation of composite grains with an Al$_2$O$_3$ core and a silicate mantle can give grain growth a head start, increasing both mass loss rates and wind velocities. Furthermore, our experimental core-mantle grain models lead to variations of visual and near-IR colors during a pulsation cycle which are in excellent agreement with observations.

研究の動機と目的

• M型 AGB 星の近傍における Al₂O₃ の凝縮条件を理解すること、特に風形成におけるその役割を明らかにすること。
• 太陽系の元素比を前提とした場合、Al₂O₃ が高温で星に近い内側風領域に存在する中で放射加熱に耐えられるかを特定すること。
• Al₂O₃ がケイ酸塩ダスト形成の種としての可能性を評価し、放射圧による質量放出の増幅という間接的役割を解明すること。
• 脈動駆動型ダスト形成の理論的モデルと観測された近赤外および可視光の色の変化を一致させること。

提案手法

• 本研究では、Al₂O₃ および鉄を含まないケイ酸塩（Mg₂SiO₄）の時間に依存する粒子成長および蒸発を扱う、新世代の動的大気および放射圧風モデル（DARWIN）を採用した。
• モデルは周波数依存の放射圧動力学的方程式を解き、脈動による衝撃波および時間変動境界条件による周期的光度変化を含む。
• 粒子の温度は放射平衡下で計算され、吸収された放射と放出された放射が釣り合う条件を用い、ダストの吸収率と放射温度は周波数平均化されたモーメントから算出された。
• Eddington 要因と放射移動は、モーメント方程式を閉じるために特性線法を用いて解いた。
• 径方向速度および光度の変動はフーリエ級数を用いて境界条件として設定され、脈動効果の柔軟なモデル化を可能にした。
• 密度および温度の急峻な勾配を的確に解像するため、保存的で2次精度の単調性を保証するアドベクションスキームと適応グリッドを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M型 AGB 星から約2スターラス半径の距離で、Al₂O₃ 粒子が放射加熱に耐えるために必要な透明性（虚数屈折率）はどの程度か？
• RQ2 太陽系の元素比を前提とした場合、Al₂O₃ が光学的性質と組み合わせて放射圧によって風を単独で駆動できるか？
• RQ3 Al₂O₃ コアにケイ酸塩被膜が付与された粒子が、ダスト成長、質量放出率、風速にどのように影響を与えるか？
• RQ4 コア-被膜構造の Al₂O₃/ケイ酸塩粒子が、脈動サイクル中の観測された可視光および近赤外色の変化をどの程度再現できるか？

主な発見

• Al₂O₃ 粒子は、可視光および近赤外域で虚数屈折率k ≤ 10⁻³の極めて透明な性質を示す必要があり、宇宙で観測されるクロムなどの不純物がこれに一致する。
• 太陽系の元素比を前提とした場合、純粋な Al₂O₃ 粒子に対する放射圧は風を駆動するには弱く、Al₂O₃ が主たる風駆動要因である可能性は否定される。
• Al₂O₃ コアに鉄を含まないケイ酸塩被膜が付与されたコア-被膜粒子は、純粋なケイ酸塩粒子よりもダスト成長を促進し、質量放出率および風速を両方とも増加させる。
• 複合的な Al₂O₃/ケイ酸塩粒子の形成は、時間的に変化する可視光および近赤外色を生じさせ、観測された脈動サイクル中の色の変化と一致する。
• M型 AGB 星の近傍に観測されるダストシェルは、Al₂O₃ 粒子によって最もよく説明され、ケイ酸塩凝縮の種として機能し、星からの光を効果的に散乱する。
• モデルは、Al₂O₃ が ≤2 R⋆ の距離で凝縮することを確認しており、これはスペクトル干渉測定観測と一致する。また、風加速領域におけるケイ酸塩形成の前に発生する。