[論文レビュー] Three-component modeling of C-rich AGB star winds I. Method and first results

C. Sandín, S. Höfner|ArXiv.org|Nov 13, 2002

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 24被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、ガス、ダスト、放射を個別に扱い、それぞれに独立した保存則を適用する、C豊富なAGB星の風を対象とした新しい3成分時間依存型流体モデルを提示する。ダストに独立した運動方程式と物理的に妥当な抵抗力項を導入することで、ダストの移動が風形成の閾値を上昇させ、低質量放出率の風を抑制することを明らかにした。これは、ガスとダストが完全に結合しているという従来の仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

Radiative acceleration of newly-formed dust grains and transfer of momentum from the dust to the gas plays an important role for driving winds of AGB stars. Therefore a detailed description of the interaction of gas and dust is a prerequisite for realistic models of such winds. In this paper we present the method and first results of a three-component time-dependent model of dust-driven AGB star winds. With the model we plan to study the role and effects of the gas-dust interaction on the mass loss and wind formation. The wind model includes separate conservation laws for each of the three components of gas, dust and the radiation field and is developed from an existing model which assumes position coupling between the gas and the dust. As a new feature we introduce a separate equation of motion for the dust component in order to fully separate the dust phase from the gas phase. The transfer of mass, energy and momentum between the phases is treated by interaction terms. We also carry out a detailed study of the physical form and influence of the momentum transfer term (the drag force) and three approximations to it. In the present study we are interested mainly in the effect of the new treatment of the dust velocity on dust-induced instabilities in the wind. As we want to study the consequences of the additional freedom of the dust velocity on the model we calculate winds both with and without the separate dust equation of motion. The wind models are calculated for several sets of stellar parameters. We find that there is a higher threshold in the carbon/oxygen abundance ratio at which winds form in the new model. The winds of the new models, which include drift, differ from the previously stationary winds, and the winds with the lowest mass loss rates no longer form.

研究の動機と目的

• ガス、ダスト、放射を独立した成分として扱い、個別に動的である物理的に整合性のある時間依存型C豊富なAGB星の風モデルを構築すること。
• ガスからダストを分離するため、ダストに独立した運動方程式を導入することで、位置結合型や完全運動量結合型モデルを超える影響を調査すること。
• 抵抗力（運動量移動）の形式と取り扱い方が、風の安定性、質量放出率、風形成の閾値に与える影響を検討すること。
• 拡張されたAGB大気におけるダスト誘発不安定性の役割と、連続体および自由分子流の近似の物理的妥当性を評価すること。
• 風モデルの物理的現実性を高めることで、AGB星の質量放出率およびスペクトルエネルギー分布のより良い推定値を提供すること。

提案手法

• ガス、ダスト、放射の各フィールドに対して、質量、運動量、エネルギーの別々の保存方程式を採用し、各成分の独立した時間発展を可能にした。
• ガス-ダスト衝突に基づく新しい抵抗力項を導出し、運動量移動の定式化に対する感度を評価するために3つの近似を検証した。
• 放射場はダストを通じて放射加速度によってガスに結合され、ダスト粒子が放射から運動量を得て、抵抗力項を通じてガスに運動量を伝達する。
• 非線形な成分間結合を扱い、一時的挙動を許容するため、時間依存型流体動力学的手法と陰的時間積分法を用いた。
• ガスの連続体近似とダストの自由分子状態の妥当性を検証するため、クヌーゼン数を計算した。これにより、抵抗力項の導出の妥当性を保証した。
• 複数の星構造パラメータセットにモデルを適用し、独立したダスト運動方程式の有無を比較することで、ダストの移動が及ぼす影響を明確にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダストに独立した運動方程式を導入することで、AGB風の形成閾値はどのように変化するか？
• RQ2 ダストの移動は、特に低質量放出率領域におけるAGB風の安定性と構造にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 抵抗力の異なる近似法が、風のダイナミクスと質量放出率に与える影響は何か？
• RQ4 AGB星の拡張大気において、連続体ガス流と自由分子ダスト流の仮定はどの程度妥当であるか？
• RQ5 新しいモデルは、恣意的なメカニズムに依存せずに、周期的質量放出や殻構造といった観測された風の特徴を再現できるか？

主な発見

• 独立したダスト動力学を導入した本モデルでは、風形成に必要な炭素酸素比の閾値が、従来のモデルよりも高くなった。
• ダストの移動を含む本モデルの風は、従来の静的風と大きく異なり、特に動的構造と安定性において顕著な差が見られた。
• 従来のモデルで可能とされていた最低質量放出率の風は、本モデルでは形成されないことが判明し、ガスとダストの分離が弱い吹き出しを抑制していることが示された。
• クヌーゼン数の分析により、モデル化された大気全域でガスは連続体状態（$\mathcal{K}_n \ll 1$）にあり、ガスの連続体流体力学の適用が妥当であることが裏付けられた。
• ダストはガスに対して自由分子状態（$\mathcal{K}'_{n,d} \gtrsim 10^{10}$）にあり、自由分子状態のガス-ダスト衝突に基づく抵抗力式の適用が妥当であることが支持された。
• ガスとダストの完全な運動量結合または位置結合の仮定は、特に低質量放出率領域において風形成の可能性を過大評価している可能性がある、という結果が示唆された。