[論文レビュー] Exploring wind-driving dust species in cool luminous giants II. Constraints from photometry of M-type AGB stars

Sara Bladh, S. Höfner+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 49被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、光度モデルを用いてM型漸近巨星分支（AGB）星におけるチリ駆動風を調査し、0.1–1 μmのサイズを有する鉄を含まないケイ酸塩チリ（例：Mg2SiO4、MgSiO3）による光子散乱が流れを駆動していると提唱する。モデルは(V–K)および(J–K)の観測された光度変動をうまく再現しており、チリの低近赤外吸収および高透過性が、時間に依存する色挙動と一致させるために不可欠であることを確認している。

ABSTRACT

The heavy mass loss observed in evolved asymptotic giant branch (AGB) stars is usually attributed to a two-stage process: atmospheric levitation by pulsation-induced shock waves, followed by radiative acceleration of newly formed dust grains. The dust transfers momentum to the surrounding gas through collisions and thereby triggers a general outflow. Radiation-hydrodynamical models of M-type AGB stars suggest that these winds can be driven by photon scattering -- in contrast to absorption -- on Fe-free silicate grains of sizes 0.1--1\,$μ$m. In this paper we study photometric constraints for wind-driving dust species in M-type AGB stars, as part of an ongoing effort to identify likely candidates among the grain materials observed in circumstellar envelopes. To investigate the scenario of stellar winds driven by photon scattering on dust, and to explore how different optical and chemical properties of wind-driving dust species affect photometry we focus on two sets of dynamical models atmospheres: (i) models using a detailed description for the growth of Mg$_2$SiO$_4$ grains, taking into account both scattering and absorption cross-sections when calculating the radiative acceleration, and (ii) models using a parameterized dust description, constructed to represent different chemical and optical dust properties. By comparing synthetic photometry from these two sets of models to observations of M-type AGB stars we can provide constraints on the properties of wind-driving dust species. Photometry from wind models with a detailed description for the growth of Mg$_2$SiO$_4$ grains reproduces well both the values and the time-dependent behavior of observations of M-type AGB stars, providing further support for the scenario of winds driven by photon scattering on dust.

研究の動機と目的

• M型AGB星における風駆動チリ種の光学的および化学的性質を、光度観測を用いて制約すること。
• 光子散乱が鉄を含まないケイ酸塩チリ粒子に起因する場合、M型AGB星の観測された光度変動を再現できるかどうかを検証すること。
• 観測された(V–K)および(J–K)色の時間に依存する挙動が、特定のチリ透過性および粒子サイズ特性を要件としているかどうかを特定すること。
• 放射的および化学的性質に基づいて、Mg2SiO4、MgSiO3、SiO2などの候補チリ材料の妥当性を評価すること。
• 詳細な粒子成長モデルとパラメータ化されたチリモデルを比較し、風駆動チリ種にかかる光度的制約を特定すること。

提案手法

• 周図的放射流体力学的モデルを用い、時間に依存する粒子成長を含み、周波数依存の放射移動と粒子サイズ依存のチリ光学厚さを組み込んだ。
• 詳細なMg2SiO4粒子成長を含むモデルから、V、J、Kバンドにおける合成光度を計算し、散乱および吸収断面積を併記した。
• 光学的および化学的性質の範囲を探索するため、パラメータ化されたチリ記述を用いた第二のモデルセットを構築した。これには、吸収および散乱効率の変動を含めた。
• 両モデルセットの合成光度を、M型AGB星の観測光度曲線（特に(V–K)および(J–K)色の変動）と比較した。
• モデルの現実性を検証するため、観測された動的挙動（例：風速度、質量損失率）およびスペクトルエネルギー分布に基づく制約を適用した。
• OGLE、AAVSO、IRSAアーカイブからの観測データを用い、モデル出力と実際の光度測定値を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M型AGB星の光度観測は、風駆動チリ種の光学的性質を制約できるか？
• RQ2 観測された(V–K)および(J–K)色の時間に依存する挙動は、風駆動チリが可視光および近赤外域で低吸収断面積を有する必要があるか？
• RQ3 鉄を含まないケイ酸塩粒子（例：Mg2SiO4、MgSiO3）は、M型AGB星における光子散乱を介した風駆動の有効な候補であるか？
• RQ4 チリの組成および粒子サイズの変動が、V、J、Kバンドにおける合成光度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 詳細な粒子成長シミュレーションに依存せず、パラメータ化されたチリモデルが観測された光度的傾向を再現できるか？

主な発見

• 詳細なMg2SiO4粒子成長を含む自己一貫性のあるモデルからの合成光度は、M型AGB星における観測された(V–K)および(J–K)色の絶対値および時間に依存する挙動をうまく再現した。
• モデルは、風駆動チリ種が可視光および近赤外域で低吸収断面積を有する必要があることを示しており、これは過剰な熱再放射および(V–K)および(J–K)の大きな変動を避けるためである。
• 光度的傾向は、近赤外域での光学的厚さが低く（p ≲ 0.25）、凝縮温度が1500 K未満であるチリ材料を要件としている。
• 炭素粒子は、高近赤外透過率を示すため、風駆動の原因として除外される。これは観測と一致しない光度的特徴を生じる。
• 風駆動チリの強力な候補は、鉄を含まないケイ酸塩、特にMg2SiO4およびMgSiO3である。これらは豊富に存在し、近赤外域で透明であり、0.1–1 μmの粒径で効率的な光子散乱が可能である。
• SiO2も、C/O ≈ 1の星ではケイ酸塩形成に必要な酸素が限られるため、特に有望な候補である。