[論文レビュー] Non-stoichiometric amorphous magnesium-iron silicates in circumstellar dust shells. Dust growth in outflows from supergiants

H. P. Gail, Akemi Tamanai+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 123被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、9体の質量の大きな超巨星の周囲に存在する circumstellar 細胞殻からの赤外線放射をモデル化し、酸素豊富な放出流における塵の成長を調査する。観測スペクトルを用いて、非化学计量な非晶質マグネシウム鉄ケイ酸塩に加えて、酸化アルミニウムと金属鉄がデータを最もよく再現することが判明した。主な結果として、ケイ酸塩塵が約920 Kで事前に存在するcorundum（酸化アルミニウム）の核に付着して凝縮すること、および凝縮前端付近での低速な放出流速度が観測されたことから、亜音速の拡張が生じており、塵粒子の成長に関する定量的理解が徐々に得られつつあることが示された。

ABSTRACT

We investigate the dust growth in oxygen-rich stellar outflows for a set of nine well-observed massive supergiants with optically thin dust shells. Models of the infrared emission from their circumstellar dust shells are compared to their observed infrared spectra so as to derive the essential parameters that govern dust formation in the extended envelope of these stars. The results obtained from the comparative study are also compared with the predictions of a model for silicate dust condensation solely based on laboratory data and basic stellar properties. The infrared emission in the wavelength range between 6 and 25 mu can be reproduced rather well by a mixture of non-stoichiometric iron-bearing silicates, alumina, and metallic iron dust particles for all nine objects. The observed spectra obtained from three objects, mu Cep, RW Cyg, and RS Per, can be reproduced by a stationary and (essentially) spherically symmetric outflow which enables a direct comparison with predictions from a theoretical dust growth model. The temperature at the onset of massive silicate dust growth is of the order of 920 K and the corresponding outflow velocity of the order of the sound velocity for these objects. The condensation temperature suggests that the silicate dust grows on the corundum dust grains that are formed well in the interior of the silicate dust shell at a much higher temperature. Our results propose that regarding the two major problems of dust formation in stellar outflows: (i) formation of seed nuclei; (ii) their growth to macroscopic dust grains, we are gradually coming close to a quantitative understanding of the second item.

研究の動機と目的

• 質量の大きな超巨星からの酸素豊富な放出流における物理的条件および塵の組成を理解すること。
• 塵の成長モデルが観測された赤外線放射スペクトルを定量的に再現できるかどうかを検証すること。
• ケイ酸塩塵の形成の開始における凝縮温度および放出流速度を特定すること。
• 種核（例：酸化アルミニウム）がケイ酸塩塵の成長に果たす役割および即時凝縮近似の妥当性を評価すること。
• 現在のモデルが、特に粒子成長に関して、星間放出流における塵の形成をどの程度定量的に説明できるかを評価すること。

提案手法

• 9体の質量の大きな超巨星の観測された中赤外線スペクトル（6–25 µm）を、光学的厚さが薄い細胞殻をもつ観測的制約条件として用いた。
• 即時凝縮近似を用いて、球対称かつ静止した放出流からの赤外線放射を計算する放射輸送モデルを適用した。
• 実験室で測定された非化学计量な非晶質 Mg-Fe ケイ酸塩（橄欖石と pyroxene の中間）の新しい光学定数を組み込んだ。
• モデルスペクトルを観測スペクトルにフィットさせるために、非化学计量な鉄含有ケイ酸塩、酸化アルミニウム（Al2O3）、金属鉄の混合塵成分を用いた。
• 凝縮温度、塵質量、粒子サイズ、ケイ酸塩殻の内側境界における放出流速度といった重要なパラメータを制約した。
• 二重星系α Scoにおける紫外線吸収線からの不斉要因といった独立した観測データと照合して結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的厚さが薄い細胞殻を持つ質量の大きな超巨星の観測された中赤外線放射スペクトルを最もよく再現する塵の組成は何か？
• RQ2 ケイ酸塩塵の凝縮はどの温度および速度で開始され、理論的予想と整合的か？
• RQ3 即時凝縮近似は、特にケイ酸塩の成長に関して、これらの放出流における塵の形成を適切に記述できるか？
• RQ4 ケイ酸塩塵が事前に存在する酸化アルミニウムの核に成長している証拠はあるか？ これは塵形成の順序にどのような意味を持つのか？
• RQ5 ケイ酸塩殻の内側境界における物理的条件（温度、速度）は、流体力学的予想とどのように一致するか？

主な発見

• 9体の質量の大きな超巨星の観測された赤外線スペクトル（6–25 µm）は、非化学计量な非晶質 Mg-Fe ケイ酸塩、酸化アルミニウム、金属鉄の混合によりよく再現された。
• 3体の天体（µ Cep、RW Cyg、RS Per）では、即時凝縮近似のもとで静止した球対称な放出流がデータに最もよく適合した。
• 大量のケイ酸塩塵の成長の開始は、約920 Kで発生し、ケイ酸塩の蒸発温度よりわずかに低い温度であった。
• ケイ酸塩凝縮前端における放出流速度は音速の程度であり、内側殻領域で亜音速の拡張が生じていることを示唆している。
• 低速な拡張は、スペクトル線幅から推定される高エネルギーの超音速乱流とは対照的であるが、ケイ酸塩殻内部の領域は平均して亜音速の流れであると示唆している。
• 結果から、塵形成の第二の主要な問題である「種核が巨視的粒子に成長するプロセス」が、水素を豊富に含む環境で中性種が支配的である場合に、定量的理解に近づきつつあることが示された。