[論文レビュー] (Re)Solving Mysteries Of Convection And Mass Loss Of Agb Stars: What New Models And Observations Tell Us About Long-Standing Problems

Höfner, Susanne|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、高解像度観測と3次元放射流体力学的モデルを統合することで、赤色超巨星（AGB）星における質量放出の理解を進めた。その結果、大規模な対流流れが衝撃波を発生させ、それによってダスト形成と風の加速が引き起こされることを明らかにした。主な発見は、Al2O3コアにMg2SiO4マントルを有するコア・マントルダスト粒子が、純粋なケイ酸塩モデルと比較して、観測された光度変動と風速とよりよく一致する放射力加速を強化することである。

ABSTRACT

The recent progress in high-spatial-resolution techniques, spanning wavelengths from the visual to the radio regime, is leading to new valuable insights into the complex dynamical atmospheres of Asymptotic Giant Branch (AGB) stars and their wind forming regions. Striking examples are images of asymmetries and inhomogeneities in the photospheric and dust-forming layers which vary on time-scales of months. These features are probably related to large-scale convective flows predicted by 3D ‘star-in-a-box’ models. Furthermore, high-resolution observations make it possible to measure dust condensation distances, and they give information about the chemical composition and sizes of dust grains in the close vicinity of cool giants. These are essential constraints for building realistic models of wind acceleration and developing a predictive theory of mass loss for AGB stars, which is a crucial ingredient of stellar and galactic chemical evolution models.

研究の動機と目的

• AGB星の質量放出を駆動するメカニズム、特に対流とダスト駆動風加速の役割に関する長年の不確実性を解消すること。
• 寒冷巨星の周囲環境におけるダスト粒子の性質、サイズ、化学組成に関する理論モデルと観測結果の乖離を是正すること。
• Al2O3コアにケイ酸塩マントルを有する複合ダスト粒子が、純粋なケイ酸塩モデルと比較して、観測された光度変動と運動学的変動をよりよく再現できるかを検証すること。
• 大規模な対流流れが、高角分解能画像で観測された表面および大気の不均一性をどのように生成するかを調査すること。
• 3次元星の大気シミュレーションに現実的なダスト粒子の性質と放射移動効果を組み込むことで、質量放出の予測モデルを改善すること。

提案手法

• AGB星の大気における対流、振動、衝撃波伝播をシミュレートするため、3次元「スターリング・ボックス」放射流体力学的（RHD）モデルを用いる。
• VLT/SPHERE-ZIMPOL（可視光〜近赤外偏光測定）およびVLTI/PIONIER（近赤外干渉測定）からの高空間分解能観測を組み合わせ、表面構造とダスト分布をマッピングする。
• 3次元モデルの径方向速度プロファイルにフーリエ解析を適用し、振動周期を導出し、観測された周期-明るさ関係と比較する。
• DARWINコードを用いて、ダスト形成、粒子成長、放射力加速をモデル化し、現実的な屈折率を有するAl2O3-ケイ酸塩複合粒子を含む。
• 分光的干渉測定データを用いて、ダスト凝縮距離と粒子サイズを制約し、特にAl2O3および鉄不含有ケイ酸塩について検討する。
• モデルから得られる合成的光度と風速プロファイルを、観測された光曲線と径方向速度シフトと比較し、風駆動メカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGB星における大規模な対流流れは、大気の力学的挙動および不均一なダスト構造の形成にどのように寄与するか？
• RQ2 Al2O3はダスト形成の初期段階で果たす役割は何か？ また、星の近傍におけるダスト粒子の放射的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Al2O3コアにMg2SiO4マントルを有する複合コア・マントルダスト粒子は、純粋なケイ酸塩粒子と比較して、観測された光度変動と風速をよりよく再現できるか？
• RQ4 なぜ観測されたダスト粒子サイズ（0.3–0.5 μm）は、酸素豊富AGB星において散乱優位の風メカニズムを支持するのか？
• RQ5 ダスト粒子の組成とサイズの変動が、表面輝度と散乱光の形態に観測された時間依存的変化をどの程度説明できるか？

主な発見

• VLT/SPHERE-ZIMPOLによる高解像度観測で、W Hydraeでは2–3個の星半径の距離にクラスタ型ダスト構造が確認され、密度の増加が約4倍、粒子半径が0.4–0.5 μmであった。これは3次元RHDモデルの予測と整合的である。
• VLTI/PIONIERおよびVLT/SPHERE観測により、R Doradusの表面明るさパターンが2か月未満の期間で著しく変化しており、3次元モデルにおける対流流れの時スケールと一致している。
• 3次元RHDモデルは、AGB星の観測された周期-明るさ関係をうまく再現しており、100–1000日程度の周期が観測されたミラ型変動と一致している。
• 複合ダスト粒子にAl2O3をコアとして組み込むことで、放射加熱が低減し、粒子の透明度が向上し、可視光〜近赤外域のk値が標準ケイ酸塩モデルと比較して1〜2桁低い値を示した。
• Al2O3コアにMg2SiO4マントルを有するコア・マントル粒子は、純粋な鉄不含有ケイ酸塩モデルと比較して質量放出率と風速を向上させ、かつ脈動サイクル中の観測された可視光および近赤外色の変動をよりよく再現した。
• 炭素豊富AGB星の分離した殻層の観測から、低金属量環境ではアモルファス炭素粒子（粒子半径<0.2 μm）が支配的である可能性が示唆され、一方で銀河内炭素星の散乱光と整合的であるのは、より大きな粒子（0.15–0.2 μm）であるとされた。