[論文レビュー] Exploring wind-driving dust species in cool luminous giants I. Basic criteria and dynamical models of M-type AGB stars

Sara Bladh, S. Höfner|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 37被引用数 57

ひとこと要約

本研究は、周囲の星間環境における質量放出を駆動できるダスト種を特定することを目的としており、放射力流体力学的モデルと周波数依存の放射移動を組み合わせることで、M型の漸近巨星分支（AGB）星における質量放出の駆動要因を解明する。その結果、赤外線領域での強力な散乱と高い凝縮温度を示すダスト、特に0.1–1 μmの粒子を有するMg2SiO4のみが、星に十分近接して形成され、放射力加速を開始できることが判明した。一方、鉄含有種やTiO2は、光学的厚さと存在割合の制約により除外された。

ABSTRACT

This work is part of an ongoing effort aiming at identifying the actual wind-drivers among the dust species observed in circumstellar envelopes. In particular, we focus on the interplay between a strong stellar radiation field and the dust formation process. To identify critical properties of potential wind-driving dust species we use detailed radiation-hydrodynamical models which include a parameterized dust description, complemented by simple analytical estimates to help with the physical interpretation of the numerical results. The adopted dust description is constructed to mimic different chemical and optical dust properties in order to systematically study the effects of a realistic radiation field on the second stage of the mass loss mechanism. We see distinct trends in which combinations of optical and chemical dust properties are needed to trigger an outflow. Dust species with a low condensation temperature and a NIR absorption coefficient that decreases strongly with wavelength will not condense close enough to the stellar surface to be considered as potential wind-drivers. Our models confirm that metallic iron and Fe-bearing silicates are not viable as wind-drivers due to their near-infrared optical properties and resulting large condensation distances. TiO2 is also excluded as a wind-driver due to the low abundance of Ti. Other species, such a SiO2 and Al2O3, are less clear-cut cases due to uncertainties in the optical and chemical data and further work is needed. A strong candidate is Mg2SiO4 with grain sizes of 0.1-1 micron, where scattering contributes significantly to the radiative acceleration, as suggested by earlier theoretical work and supported by recent observations.

研究の動機と目的

• ダスト形成と放射力加速を結びつけることで、M型AGB星における質量放出を駆動できる実現可能なダスト種を同定すること。
• ダストが衝撃加熱ガスに到達可能な範囲に形成されるために必要な臨界凝縮距離を特定すること。
• ダストの波長依存性の光学的厚さと化学組成が、放射力加速効率に与える影響を評価すること。
• 粒子サイズと散乱の役割が、風駆動種の放射力に与える強化効果を評価すること。
• 理論モデルと観測結果の不一致を解消するため、酸素豊富なAGB星において実際に風を引き起こせるダスト種を同定すること。

提案手法

• ガスおよびダスト成分の両方に対して周波数依存の放射移動を含む詳細な放射力流体力学（RHD）モデルを用いる。
• 調整可能な凝縮温度（T_c）と近赤外吸収係数の波長依存性（p）を持つパラメトリックなダスト記述を用いる。
• 式（10）に基づく解析的推定を用いて、T_cおよびpの関数としての凝縮距離 R_c/R* をモデル化し、数値結果と照合する。
• モデル予測の凝縮距離を観測された衝撃浮上範囲（数個の星半径）と比較し、実現可能な風駆動種を同定する。
• 波長依存性のべき乗則（κ ∝ λ^p）を用いて光学的厚さをモデル化し、グレー近似と非グレー挙動を模擬する。
• 特にMg2SiO4について、粒子サイズが散乱効率に与える影響を評価し、放射力加速の強化に寄与するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのダスト種が星の表面に近接して（数R*以内に）凝縮し、放射圧によって加速可能になるか？
• RQ2 ダストの光学的厚さの波長依存性（pで定量化）が、凝縮距離と放射力加速の可能性に与える影響は何か？
• RQ3 鉄含有ケイ酸塩や金属鉄は、周囲環境に豊富に存在するにもかかわらず、なぜ風駆動種として不適切なのか？
• RQ4 特に0.1–1 μmの粒子サイズが、Mg2SiO4の散乱と放射力加速の強化に果たす役割は何か？
• RQ5 SiO2およびAl2O3の光学的および化学的データの不確実性が、それらが風駆動種としての可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 凝縮温度が低く、近赤外領域での吸収が波長とともに著しく減少する（p < 0）ダスト種は、衝撃加熱ガスの到達範囲を越えて形成されるため、風駆動を開始できず、不適切である。
• 金属鉄および鉄含有ケイ酸塩は、凝縮温度が低く、近赤外領域の光学的厚さプロファイルが遅延するため、R_c ≳ 8 R* まで凝縮が遅れるため、風駆動種として不適切である。
• TiO2は主にチタンの低存在割合が理由で除外されるが、光学的性質が良好であるにもかかわらず、実効性に欠ける。
• 0.1–1 μmの粒子サイズを有するMg2SiO4は、散乱が放射力加速を顕著に強化するため、強力な風駆動種候補である。その凝縮距離は約2 R* にまで近い。
• SiO2およびAl2O3は、近赤外領域の光学的データが不十分なため、不確実性が残っており、さらなる観測的および実験的制約が必要である。
• グレー近似の光学的厚さ（p = 0）を用いると系統的な誤差が生じる。p > 0 の場合、凝縮距離が過小評価され、p < 0 の場合、過大評価される。周波数依存の取り扱いなしには、組成に関する予測は誤りとなる。