[論文レビュー] Survival of icy grains in debris discs. The role of photosputtering

A. N. Grigorieva, P. Thébault+2 more|ArXiv.org|Sep 6, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 42被引用数 49

ひとこと要約

本研究は、昇華作用を超えて、宇宙線放射による氷粒子の破壊を支配的メカニズムとして調査する。詳細なモデルを用い、粒子の侵食、動的進化、恒星放射の連成を解析した結果、β Pictorisのような系では、12 Myrの系統年齢において氷を保持できるのは数mm程度の粒子に限られ、さらにその場合でも、スパッタリングによるガス生成量は観測上限をはるかに上回り、大多数のデブリディスクでは顕著な氷粒子集団が存在し得ないことが示された。唯一の例外はM型星周辺である可能性がある。

ABSTRACT

We put theoretical constraints on the presence and survival of icy grains in debris discs. Particular attention is paid to UV sputtering of water ice, which has so far not been studied in detail in this context. We present a photosputtering model based on available experimental and theoretical studies. We quantitatively estimate the erosion rate of icy and ice-silicate grains, under the influence of both sublimation and photosputtering, as a function of grain size, composition and distance from the star. The effect of erosion on the grain's location is investigated through numerical simulations coupling the grain size to its dynamical evolution. Our model predicts that photodesorption efficiently destroy ice in optically thin discs, even far beyond the sublimation snow line. For the reference case of beta Pictoris, we find that only > 5mm grains can keep their icy component for the age of the system in the 50-150AU region. When taking into account the collisional reprocessing of grains, we show that the water ice survival on grains improves (grains down to ~ 20 um might be partially icy). However, estimates of the amount of gas photosputtering would produce on such a hypothetical population of big icy grains lead to values for the OI column density that strongly exceed observational constraints for beta Pic, thus ruling out the presence of a significant amount of icy grains in this system. Erosion rates and icy grains survival timescales are also given for a set of 11 other debris disc systems. We show that, with the possible exception of M stars, photosputtering cannot be neglected in calculations of icy grain lifetimes.

研究の動機と目的

• 昇華作用を超えて、これまで軽視されがちな侵食メカニズムとしてのUVスパッタリングの影響を評価し、デブリディスクにおける氷粒子の生存可能性を検討すること。
• 粒子のサイズ、組成、恒星からの距離に応じた、氷粒子および氷-ケイ酸塩混合粒子のスパッタリングおよび昇華による侵食速度を定量すること。
• 粒子の動的進化および衝突再処理が、デブリディスク環境下での氷粒子の生存タイムスケールに与える影響を調査すること。
• 観測上のガス濃度制約（特にO Iの柱密度）と照らし合わせ、観測されたデブリディスクにおける氷粒子集団の仮説を検証すること。
• 特にG、K、F、A型星を含むさまざまな恒星タイプにおけるスパッタリングの重要性を評価すること。

提案手法

• 最近の実験的および理論的知見に基づき、水氷および氷-ケイ酸塩混合物のUV誘発侵食に関するスパッタリングモデルを構築した。
• スパッタリングと昇華の両効果を組み合わせ、粒子のサイズ、組成、恒星からの軌道的距離に応じた総侵食速度を計算した。
• 粒子サイズの進化と軌道的力学を連成する数値シミュレーションを実施し、侵食が粒子の位置と生存に与える影響を追跡した。
• β Pictorisの基準モデルを用いて侵食閾値と生存タイムスケールを推定し、その後11の他のデブリディスク系に一般化した。
• 恒星放射の2乗依存性を用いて距離に応じた侵食速度をスケーリングし、さまざまなディスク半径に一般化した結果を得た。
• スパッタリングによるガス生成量（特にO I）を算出し、観測上の上限と比較することで、氷粒子集団の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 昇華の雪線を超えて、スパッタリング効果によって氷粒子はデブリディスクで生存可能か？
• RQ2 典型的なデブリディスク系の寿命にわたって氷成分を保持できる最小粒子サイズは何か？
• RQ3 衝突再処理は、デブリディスクにおける小さな氷粒子の生存にどのように寄与するか？
• RQ4 β Pictorisのような系において、スパッタリング誘発ガス生成量は観測制約をどれほど上回るか？
• RQ5 F型星やより明るいA/F/G/K型星と比較して、M型星では侵食タイムスケールがどのように変化するか？

主な発見

• β Pictoris系では、50–150 AU領域において、12 Myrの系統年齢にわたって氷成分を保持できるのは、約5 mm以上の粒子に限られる。これは強力なスパッタリングによるものである。
• 衝突再処理が20 μm程度の氷粒子集団を維持可能であっても、そのスパッタリングによるO Iガス生成量は、観測上限を数個のオーダー上回る。
• F型星やそれ以上の熱い星では、20 μm粒子のスパッタリング侵食タイムスケールは10^7年未満であり、通常のデブリディスク系では生存が不可能である。
• 数mmの氷粒子は、G、K、M型星の周囲でのみ1 Gyr以上生存可能である。F型星やそれ以上の熱い星では、生存は約1–2 × 10^7年が限界である。
• M型星のAU Micでは、スパッタリング侵食タイムスケール（約50 Myr）が系統年齢（12 Myr）を上回るため、スパッタリングの寄与を無視できる唯一の系である可能性がある。
• M型星を除くと、デブリディスクにおける氷粒子寿命モデルではスパッタリングの寄与を無視できない。