[論文レビュー] Exploring the origin of clumpy dust clouds around cool giants. A global 3D RHD model of a dust-forming M-type AGB star

S. Höfner, B. Freytag|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 58被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、M型のAGB星の3次元放射熱力学モデルを提示し、自己一貫的にほこりの形成と粒子成長をシミュレートした。その結果、対流と脈動による非球形な衝撃波が、重力的に束縛された大気の内側で自然に塊状のほこり雲を生成することが明らかになった。このメカニズムは、風駆動加速を仮定しなくても、観測された中赤外線帯域の変動性と空間的に解像されたほこりの形態を説明できる。酸化アルミニウム（corundum）は2個の星半径付近で最初に形成され、塩化物系の鉱物（silicates）が束縛層の外縁を示している。

ABSTRACT

Dust grains forming in the extended atmospheres of AGB stars are critical for the heavy mass loss of these cool luminous giants, as they provide radiative acceleration for the stellar winds. Characteristic mid-IR spectral features indicate that the grains consist mainly of silicates and corundum. The latter species seems to form in a narrow zone within about 2 stellar radii, preceding the condensation of silicate dust, which triggers the outflow. Recent high-angular-resolution observations show clumpy, variable dust clouds at these distances. We explore possible causes for the formation of inhomogeneous dust layers, using 3D dynamical simulations. We modeled the outer convective envelope and the dust-forming atmosphere of an M-type AGB star with the CO5BOLD radiation-hydrodynamics code. The simulations account for frequency-dependent gas opacities, and include a time-dependent description of grain growth and evaporation for corundum and olivine-type silicates. In the inner, gravitationally bound, and corundum-dominated layers of the circumstellar envelope, a patchy distribution of the dust emerges naturally, due to atmospheric shock waves that are generated by large-scale convective flows and pulsations. The formation of silicate dust at somewhat larger distances probably indicates the outer limit of the gravitationally bound layers. The current models do not describe wind acceleration, but the cloud formation mechanism should also work for stars with outflows. Timescales of atmospheric dynamics and grain growth are similar to observed values. In spherical averages of dust densities the variable 3D morphology manifests itself as cycle-to-cycle variations. Grain growth in the wake of large-scale non-spherical shock waves, generated by convection and pulsations, is a likely mechanism for producing the observed clumpy dust clouds, and for explaining their physical and dynamical properties.

研究の動機と目的

• 高角分解能画像で観測されたM型AGB星の大気における塊状で変動するほこり雲の起源を理解すること。
• 対流や脈動といった大気の力学的現象が、事前に不均一性を仮定せずに、不均一なほこり分布を自然に生成できるかどうかを調査すること。
• 衝撃波の後方領域における粒子成長が、観測された斑点状のほこり構造を形成する役割を特定すること。
• 観測されたほこりの形態と変動性が、風加速の前段階で3次元的な力学的現象のみで説明可能かどうかを評価すること。
• 3次元モデルの結果を、未解像化された観測と1次元モデルと比較するため、ほこり密度などの量の球対称平均を分析すること。

提案手法

• CO5BOLD放射熱力学コードを用いて、M型AGB星の外側の対流境界とほこり形成大気をシミュレートする。
• 動的かつ非定常的な大気における放射エネルギー輸送と加熱を正確にモデル化するため、周波数依存性のガス吸収率を組み込む。
• 酸化アルミニウム（Al₂O₃）と橄欖石型のケイ酸塩（Mg₂SiO₄）の粒子の核生成、成長、蒸発を時間に依存して取り扱う。
• 脈動と対流の流れに応じた衝撃波のダイナミクスに応じて、ほこり密度と温度の変化を追跡する。特に衝撃波のダイナミクスに注目する。
• 未解像化された観測と1次元モデルと比較するため、3次元的な空間的構造とほこり密度の球対称平均の両方を分析する。
• 星の大気全体をカバーするグローバル3次元設定を採用し、風加速の前段階でほこりが形成される領域（～2–3個の星半径付近）に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流と脈動によって生成される大規模な衝撃波が、M型AGB星の大気において自然に塊状のほこり分布を生じるのか？
• RQ2 非球形な衝撃波の後方領域における粒子成長が、観測されたほこりの形態をどのように形成するのか？
• RQ3 大気の衝撃波の動的時効と粒子成長率が、観測された変動周期とどの程度一致するのか？
• RQ4 酸化アルミニウム（Al₂O₃）とケイ酸塩（Mg₂SiO₄）のほこりは、円周星周囲のどの領域に形成されるのか？これは重力的に束縛された層の構造にどのような示唆を与えるか？
• RQ5 ほこり密度の球対称平均のサイクル間変動は、3次元的かつ時間に依存する形態の背後にある物理的要因をどの程度反映しているのか？

主な発見

• 非球形な衝撃波が対流と脈動から生じることで、外部からの不均一性を仮定しなくても、3次元シミュレーションにおいて自然に塊状のほこり分布が出現する。
• 酸化アルミニウム（Al₂O₃）は約2個の星半径以内の狭い領域で形成され、観測結果と一致して、最も内側のほこり形成領域に存在することが示された。
• ケイ酸塩（Mg₂SiO₄）はわずかに大きな半径で形成され、重力的に束縛された層の外縁を示しており、その後に放射圧が風加速を引き起こす可能性がある。
• 粒子成長は主に外向きに伝播する衝撃波の後方領域で進行し、局所的なほこり密度を増加させ、観測された斑点状の形態を形成する。
• モデルにおける大気のダイナミクスと粒子成長の時効は、観測された変動周期とサイクル間変動と一致している。
• ほこり密度の球対称平均には、半径方向の脈動と3次元的かつ時間に依存する形態の両方が反映されており、未解像化された観測と3次元的ダイナミクスを結びつける。