[論文レビュー] Exploring wind-driving dust species in cool luminous giants III. Wind models for M-type AGB stars: dynamic and photometric properties

Sara Bladh, S. Höfner+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 25被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、M型A型巨星の時間に依存する放射圧流体力学的モデルの最初の包括的セットを提示し、マグネシウムケイ酸塩（Mg2SiO4）の微粒子における光子散乱が現実的な星風を駆動できることを示した。モデルは観測された質量放出率、風速、可視光／近赤外線の光度をうまく再現したが、微小量の鉄（Fe）を添加しない限り、10および18 μmにおけるケイ酸塩特徴は現れない。

ABSTRACT

Stellar winds observed in asymptotic giant branch (AGB) stars are usually attributed to a combination of stellar pulsations and radiation pressure on dust. Shock waves triggered by pulsations propagate through the atmosphere, compressing the gas and lifting it to cooler regions, which create favourable conditions for grain growth. If sufficient radiative acceleration is exerted on the newly formed grains through absorption or scattering of stellar photons, an outflow can be triggered. Strong candidates for wind-driving dust species in M-type AGB stars are magnesium silicates (Mg$_2$SiO$_4$ and MgSiO$_3$). Such grains can form close to the stellar surface, they consist of abundant materials and, if they grow to sizes comparable to the wavelength of the stellar flux maximum, they experience strong acceleration by photon scattering. We use a frequency-dependent radiation-hydrodynamics code with a detailed description for the growth of Mg$_2$SiO$_4$ grains to calculate the first extensive set of time-dependent wind models for M-type AGB stars. The resulting wind properties, visual and near-IR photometry and mid-IR spectra are compared with observations.We show that the models can produce outflows for a wide range of stellar parameters. We also demonstrate that they reproduce observed mass-loss rates and wind velocities, as well as visual and near-IR photometry. However, the current models do not show the characteristic silicate features at 10 and 18 $μ$m as a result of the cool temperature of Mg$_2$SiO$_4$ grains in the wind. Including a small amount of Fe in the grains further out in the circumstellar envelope will increase the grain temperature and result in pronounced silicate features, without significantly affecting the photometry in the visual and near-IR wavelength regions.

研究の動機と目的

• M型A型巨星において、Mg2SiO4微粒子における光子散乱が広範な星のパラメータにわたって質量放出を駆動できるかどうかを検証すること。
• 観測された10および18 μmにおけるケイ酸塩特徴と、低微粒子温度のためこのような特徴を示さないモデル予測との間に生じる不一致を解消すること。
• Mg2SiO4に基づく星風が、微粒子の光学厚さではなく分子特徴に支配される観測された可視光および近赤外線の光度変動を再現できるかどうかを確認すること。
• 合成光度と観測光度を比較することで、Feを含まないマグネシウムケイ酸塩が星風駆動剤として実現可能かどうかを評価すること。
• 微量のFe不純物が微粒子温度および中赤外線スペクトル特徴に与える影響を、可視光および近赤外線光度に影響を与えることなく調査すること。

提案手法

• 時間に依存する大気および星風を模擬するために、周波数依存の放射圧流体力学コードを採用した。
• 微粒子のサイズ進化と波長依存の光学厚さを考慮した、Mg2SiO4微粒子の詳細な成長モデルを統合した。
• 139のモデルで星のパラメータを変化させた：光度は5000、7000、10,000 L⊙、効果的温度は2600 Kから3200 K、脈動振幅を変化させた。
• 観測と比較するため、合成された可視光および近赤外線光度と中赤外線スペクトルを計算した。
• Mg2SiO4微粒子に薄いMgFeSiO4被膜を付加することで微粒子温度を上昇させ、ケイ酸塩特徴を誘発する効果をテストした。
• 観測された光曲線の正弦曲線フィッティングを用いて、合成光度変動と観測データを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mg2SiO4微粒子における光子散乱は、M型A型巨星において現実的な質量放出率と風速を生じさせることができるか？
• RQ2 現在のMg2SiO4ベースのモデルは、なぜA型巨星で観測された10および18 μmのケイ酸塩特徴を再現できないのか？
• RQ3 光度変動から推定されるように、M型A型巨星の周囲円盤は可視光および近赤外線波長でどれほど透明であるか？
• RQ4 Mg2SiO4微粒子に少量のFeを導入することで、微粒子温度および中赤外線スペクトル特徴が顕著に変化するが、可視光および近赤外線光度に影響を与えないか？
• RQ5 詳細な微粒子成長を含む時間に依存する放射圧流体力学モデルは、観測された光度と星風ダイナミクスの両方を同時に再現できるか？

主な発見

• モデルは、5000、7000、10,000 L⊙の光度および2600 Kから3200 Kの効果的温度の広範な星のパラメータ範囲で、流出を効果的に生成した。
• 観測された質量放出率と風速は、Mg2SiO4駆動星風モデルによってうまく再現された。
• 合成された可視光および近赤外線光度は観測と一致し、周囲円盤がこれらの波長帯で透明であることを示し、分子駆動のフラックス変動と整合的である。
• モデルに10および18 μmのケイ酸塩特徴が欠落しているのは、星風中のMg2SiO4微粒子が低温であるためであり、微粒子の量が少ないためではない。
• Mg2SiO4微粒子に薄いMgFeSiO4被膜を付加することで、微粒子温度が十分に上昇し、中赤外線に強いケイ酸塩特徴が現れるが、可視光または近赤外線光度に顕著な変化は生じない。
• 結果は、Feを含まないMg2SiO4微粒子における光子散乱が、星風駆動機構として実現可能であることを支持しており、微量のFe不純物が中赤外線スペクトルの観測的一致性を実現する。