[論文レビュー] The effect of radiation pressure on dust distribution inside HII regions

Shohei Ishiki, Takashi Okamoto+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ダスト吸収・再放射、および粒子径別解像度を持つ成分を含む1次元放射流体力学的シミュレーションを用い、放射圧がコンパクトなHII領域に約0.2 pcのダストキャビティを形成することを示した。クーロン摩擦は衝突的摩擦を2桁上回り、放射圧は粒子径分布を変化させ、大粒径対小粒径の質量比を1桁小さくした。強力な放射源では、粒子の帯電が強化され、クーロン摩擦が増大するため、粒子径の分離が弱まる。

ABSTRACT

We investigate the impact of radiation pressure on spatial dust distribution inside H$_\mathrm{II}$ regions using one-dimensional radiation hydrodynamic simulations, which include absorption and re-emission of photons by dust. In order to investigate grain size effects as well, we introduce two additional fluid components describing large and small dust grains in the simulations. Relative velocity between dust and gas strongly depends on the drag force. We include collisional drag force and coulomb drag force. We find that, in a compact H$_\mathrm{II}$ region, a dust cavity region is formed by radiation pressure. Resulting dust cavity sizes (~0.2 pc) agree with observational estimates reasonably well. Since dust inside an H$_\mathrm{II}$ region is strongly charged, relative velocity between dust and gas is mainly determined by the coulomb drag force. Strength of the coulomb drag force is about 2-order of magnitude larger than that of the collisional drag force. In addition, in a cloud of mass $10^5$ $M_{\odot}$, we find that the radiation pressure changes the grain size distribution inside H$_\mathrm{II}$ regions. Since large (0.1 $\mathrm{\mu m}$) dust grains are accelerated more efficiently than small (0.01 $\mathrm{\mu m}$) grains, the large to small grain mass ratio becomes smaller by an order of magnitude compared with the initial one. Resulting dust size distributions depend on the luminosity of the radiation source. The large and small grain segregation becomes weaker when we assume stronger radiation source, since dust grain charges become larger under stronger radiation and hence coulomb drag force becomes stronger.

研究の動機と目的

• 放射圧がHII領域内のダスト分布に与える影響を調査すること。
• 放射圧下でのダスト力学における粒子径差の役割を検討すること。
• 衝突的摩擦力とクーロン摩擦力の相対的な重要性がダスト-ガス分離に与える影響を評価すること。
• 放射源の明るさが粒子径の分離に与える影響を特定すること。

提案手法

• 光子の吸収および再放射を組み込んだ1次元放射流体力学的シミュレーション。
• 大粒径（0.1 µm）および小粒径（0.01 µm）のダスト粒子を別々の流体成分としてモデル化。
• 摩擦力には衝突的摩擦とクーロン摩擦を含み、後者が強いダスト帯電により支配的である。
• ダストキャビティ形成および粒子分布の変化を評価するため、10⁵ M☉の雲をシミュレーションでモデル化。
• 放射源の明るさを変化させ、粒子径分離および摩擦力への影響を調査。
• 粒子径分布の進化を追跡し、大粒径対小粒径の質量比の変化を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射圧はコンパクトなHII領域内でのダストの空間的分布にどのように影響するか？
• RQ2 衝突的摩擦力とクーロン摩擦力の相対的寄与は、ダスト-ガス分離にどの程度寄与するか？
• RQ3 放射圧はHII領域内での粒子径分布にどの程度変化をもたらすか？
• RQ4 中心のイオン化放射源の明るさは、粒子径の分離およびダストキャビティ形成にどのように影響するか？

主な発見

• 放射圧により、コンパクトなHII領域に約0.2 pcのダストキャビティが形成され、観測的推定値と整合的である。
• クーロン摩擦力は衝突的摩擦力の約2桁大きく、ダスト-ガス相対速度の支配的要因である。
• 10⁵ M☉の雲において、放射圧の影響により大粒径対小粒径の質量比が1桁小さくなった。
• 強力な放射源では、イオン化度の上昇に伴いダストの帯電が強化され、クーロン摩擦が増大するため、粒子径の分離が弱まる。
• 放射圧の作用下では、ダスト粒子のサイズ分布が顕著に変化し、大粒径粒子がより効率的に加速される。
• 結果としてのダストサイズ分布は、中心放射源の明るさに依存しており、明るさが高いほど分離が弱まる。