[論文レビュー] Effect of dust rotational disruption by radiative torques on radiation pressure feedback from massive protostars

Thiem Hoang|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 76被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、質量の大きな原始星の環境における赤外線トルク誘発回転破壊（RATD）が、放射圧の光学的濃度を約3倍小さくすることで、放射圧フィードバックを弱め、非常に質量の大きな星の形成を挑戦する要因となることを調査している。強力な放射場下での粒子サイズの進化をモデル化することで、RATDがミクロンサイズの粒子を急速に小さな粒子に破壊し、粉塵の性質を変化させ、従来のモデルと比較して放射圧効率を低下させることを示している。

ABSTRACT

Radiation pressure on dust is thought to play a crucial role in the formation process of massive stars by acting against gravitational collapse onto the central protostar. However, dust properties in dense regions irradiated by the intense radiation of massive protostars are poorly constrained. Previous studies usually assume the standard interstellar dust model to constrain the maximum mass of massive stars formed by accretion, which appears to contradict with dust evolution theory. In this paper, using the fact that stellar radiation exerts on dust simultaneous radiation pressure and radiative torques, we study the effects of grain rotational disruption by radiative torques (RATs) on radiation pressure and explore its implications for massive star formation. For this paper, we focus on the protostellar envelope and adopt a spherical geometry. We find that original large grains of micron-sizes presumably formed in very dense regions can be rapidly disrupted into small grains by RATs due to infrared radiation from the hot dust shell near the sublimation front induced by direct stellar radiation. Owing to the modification in the size distribution by rotational disruption, the radiation pressure opacity can be decreased by a factor of $\sim 3$ from the value expected from the original dust model. However, to form massive stars via spherical accretion, the dust-to-gas mass ratio needs to be reduced by a factor of $\sim 5$ as previously found.

研究の動機と目的

• 放射圧フィードバックに与える放射トルク破壊（RATD）の影響を、質量の大きな原始星の環境で調査すること。
• 標準的な銀河間粉塵モデル（例：MRN）と、高放射場・高密度領域で観測される大きな粒子との矛盾を解消すること。
• RATDが粒子サイズ分布をどのように変化させ、その結果として放射圧の光学的濃度にどのような影響を与えるかを特定すること。
• 球状降着によって質量の大きな星を形成する際に、RATDが極端な粉塵対ガス比の低減を必要としなくなるかどうかを評価すること。
• RATDが放射圧加速よりも速く作用することを確立し、強力な放射場において支配的な粉塵進化機構であることを示すこと。

提案手法

• 中心に質量の大きな原始星が存在する、球対称な原始星環境モデルを採用し、強い放射場を発生させた。
• 不規則な粉塵粒子に作用する放射トルク（RAT）をモデル化し、それによる超熱的回転とそれに伴う遠心応力の計算を行った。
• RATDの基準を用いた：粒子材料の引張強度を超える遠心応力がかかると破壊が発生する。
• 放射強度、粒子サイズ、材料強度に基づいて破壊 timescale を計算し、放射圧加速 timescale と比較した。
• RATDを用いて粒子サイズ分布を動的に更新した後、修正された分布から赤外線（IR）および紫外線（UV）の放射圧の光学的濃度を再計算した。
• 簡略化された幾何構造における放射移動と流体力学を解き、特に昇華前線近傍のココウ領域に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射トルク誘発回転破壊（RATD）は、質量の大きな原始星の周囲の高温粉塵ココウにおける粒子サイズ分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 粉塵粒子の破壊において、RATDと放射圧加速の相対的効率はどの程度か？
• RQ3 RATDは赤外線（IR）および紫外線（UV）帯域における放射圧の光学的濃度をどのように変化させるか？
• RQ4 RATDは、質量の大きな星形成における降着を停止させるための放射圧フィードバックの効果をどの程度低下させるか？
• RQ5 RATDによって変更された粉塵の光学的濃度は、質量の大きな星を形成するために必要な粉塵対ガス質量比の低減をどの程度軽減するか？

主な発見

• RATDは、ミクロンサイズの多孔質粉塵粒子を、放射圧による加速よりもはるかに速く小さな破片に破壊する。その結果、強力な放射場ではRATDが支配的な粉塵進化プロセスとなる。
• RATD後の粒子サイズ分布は、標準的な銀河間媒体（ISM）分布に類似しており、元の大きな粒子モデルと比較して放射圧の光学的濃度が約3倍小さくなる。
• 赤外線の放射圧の光学的濃度は、中心星に近づくにつれて粒子破壊が進行するため低下し、包層からの光子の脱出が促進される。
• 紫外線の放射圧の光学的濃度は、小さな粒子の増加により著しく上昇するが、赤外線の光学的濃度の低下を相殺しない。
• 光学的濃度が低下しても、放射圧フィードバックは依然として降着を停止させるには不十分であり、質量の大きな星形成のための放射圧障壁を確認するためには、粉塵対ガス質量比を約5倍低減する必要がある。
• RATDの影響により、質量の大きな星形成領域の粉塵特性は、標準的なISM粉塵とは根本的に異なる。したがって、正確なフィードバックモデルにはこのメカニズムを組み込む必要がある。