[論文レビュー] Photodissociation in proto-planetary nebulae. Hydrodynamical simulations and solutions for low-velocity multi-lobes

Guillermo Garcı́a-Segura|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、表面温度が約7,000 Kのpost-AGB星からのUV放射による原始惑星間星雲における原始惑星間星雲の多極的ラボス構造の形成を、光分解が駆動するものと提案している。ZEUS-3Dを用いた2次元流体ダイナミクスシミュレーションにより、初期の光分解フロントの拡張とそれに続くD型光分解衝撃波（D-S）フロント不安定性——Vishniacの薄皮膜不安定性に類似——が、べき乗則密度分布（例：r⁻²）を示す殻の破壊を引き起こし、方向性のない風やジェットを必要とせずに、非対称的かつ低速度の多極的ラボス構造の形成を可能にすることを示している。

ABSTRACT

We explore the effects of photodissociation at the stages of post-asymptotic giant branch stars to find a mechanism able to produce multi-polar shapes. We perform two-dimensional gasdynamical simulations to model the effects of photodissociation in proto-planetary nebulae. We find that post-asymptotic giant branch stars with 7,000 K or hotter are able to photodissociate a large amount of the circumstellar gas. We compute several solutions for nebulae with low-velocity multi-lobes. We find that the early expansion of a dissociation front is crucial to understand the number of lobes in proto-planetary nebulae. A dynamical instability appears when cooling is included in the swept-up molecular shell. This instability is similar to the one found in photoionization fronts, and it is associated with the thin-shell Vishniac instability. The dissociation front exacerbates the growth of the thin-shell instability, creating a fast fragmentation in shells expanding into media with power-law density distributions such as r^-2.

研究の動機と目的

• post-AGB星による光分解が、原始惑星間星雲における多極的形状の形成を説明できるかどうかを調査すること。
• 初期の光分解フロントの拡張が、ラボスの数や分布に与える影響を特定すること。
• べき乗則密度分布を示す殻における光分解フロントの不安定性が、どのように殻の破壊に影響を与えるかを調査すること。
• 光分解が、方向性のある噴流ではなく、周囲物質に「穴」を形成することで多極的バブル構造を可能にするという仮説を検証すること。
• 低温post-AGB星（7,000 K）における光分解の力学的効果をモデル化すること。ここで、イオン化は不十分だが、光分解は顕著である。

提案手法

• 磁気流体力学を想定したZEUS-3Dコード（バージョン3.4）を用いた2次元ガス力学的シミュレーションを実施した。
• 平衡仮定に基づいた簡略化された光分解フロント位置の近似を導入し、定常密度の代わりに任意の径方向密度分布を採用した。
• post-AGB星（約7,000 K）からのUV放射場を用いて、分子ガスの光分解を駆動し、常に光分解平衡状態にあると仮定した。
• べき乗則密度分布（例：r⁻²）を示す周囲物質（CSM）への光分解フロントの拡張をシミュレートし、対称性を破るために初期密度の不均一性を導入した。
• 光分解フロントおよび殻の破壊の進化を追跡し、取り巻かれた分子殻における不安定性の発展に焦点を当てた。
• イオン化フロントにおけるVishniacの薄皮膜不安定性に類似したD型光分解衝撃波（D-S）フロント不安定性の成長を分析し、ラボス形成と非対称性の原因を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面温度が約7,000 Kのpost-AGB星による光分解が、原始惑星間星雲における多極的ラボス構造を生成できるか？
• RQ2 光分解フロントの初期拡張が、星雲内のラボスの数や方位分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 D型光分解衝撃波（D-S）フロント不安定性が、周囲物質の形態と殻の破壊に果たす役割は何か？
• RQ4 赤道対極密度比が、光分解によって形成されるラボスの数と対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 Kwok（2010）が提唱したように、光分解が多極的バブル形成を可能にするために必要な「穴」を周囲物質に形成するのに十分か？

主な発見

• 表面温度が7,000 K以上のpost-AGB星は、周囲の分子ガスの顕著な割合を光分解可能にし、光分解領域（PDR）の形成を可能にする。
• 光分解フロントの初期拡張は、ラボスの数を決定づける上で極めて重要であり、ラボスの数は赤道／極密度比に反比例する。
• Vishniacの薄皮膜不安定性に類似したD型光分解衝撃波（D-S）フロント不安定性が発生し、取り巻かれた殻の急速な破壊を引き起こす。
• べき乗則密度分布（例：r⁻²）を示す媒体では、D-Sフロント不安定性が悪化し、崩壊的成長を引き起こし、非対称的かつ多極的ラボス構造の形成を促進する。
• 初期密度対比が低い（例：モデル50-b）シナリオでは、PDRはより広い立体角に拡張し、複数のラボスを形成する。一方、高密度対比のケース（例：図1）では、単一の極方向トンネルしか形成されない。
• 不安定性により、ガスが谷間にたまり、山頂部からガスが除去され、低密度経路に沿ってより多くのUV光子が透過し、先導衝撃波が加速され、斜めの衝撃波が急峻になる。