[論文レビュー] Three-component modeling of C-rich AGB star winds III. Micro-physics of drift-dependent dust formation

C. Sandín, S. Höfner|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 11被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、自己一貫的なドリフト依存性を有するダスト形成物理学を組み込んだ、C豊富なAGB星の風を3成分の流体力学的モデルで構築した。その結果、粒子のドリフトがダスト生成を顕著に増加させることを示した。特に、C₂H や C₂H₂ といった主要な成長種の変化を通じて、非ドリフトモデルに比べて最大数倍のダストが生成される。これは、質量損失率などの風の全体的性質に変化を加えずに達成された。

ABSTRACT

A proper treatment of the non-equilibrium dust formation process is crucial in models of AGB star winds. In this paper the micro-physics of this process is treated in detail, with an emphasis on the effects of drift (drift models). We summarize the description of the dust formation process and make a few additions to previous work. A detailed study shows that different growth species dominate the grain growth rates at different drift velocities. The new models show that the net effect of drift is to significantly increase the amounts of dust, seemingly without affecting the mean wind properties, such as e.g., the mass loss rate. In some cases there is several times more dust in drift models, compared to the values in the corresponding non-drift models. We study the formation of a dust shell in the inner parts of the wind and find that drift plays an active role in accumulating dust to certain narrow regions. In view of the results presented here it is questionable if drift -- under the current assumptions -- can be ignored in the grain growth rates.

研究の動機と目的

• 時間依存的なAGB風モデルにおけるダスト形成過程における粒子ドリフトの自己一貫的モデリングが不足しているという問題に取り組むこと。
• ドリフト速度が、特に炭素含有分子の付着において優位な種がどのように変化するか、ダスト粒子成長の微視的物理に与える影響を調査すること。
• ダスト質量および分布に与えるドリフト効果が、風モデルにおいて無視可能かどうかを評価すること。
• ドリフトが内側風領域におけるダストシェル構造の形成に果たす役割を検討すること。
• ドリフト依存の成長率および接着係数を組み込んだ、粒径分布のモーメント法の改善

提案手法

• ガス、ダスト、放射の3成分を含むモデルフレームワークを採用し、質量・運動量・エネルギーの交換を通じて結合する。
• GGS90のモーメント法を用い、4つのモーメント方程式で粒径分布の進化（核生成および成長を含む）を記述する。
• ドリフトを導入し、モーメント方程式におけるダスト速度 $v$ を変化可能とすることで、相対的ドリフト速度に起因する成長率の変化を反映する。
• C₂H、C₂H₂、および他のラジカルに対して、種別に異なる接着係数と成長率を設定し、ドリフト速度依存性を組み込む。
• 古典的核生成理論を用い、静的仮定を採用するが、核生成率の計算に伴う不確実性にも言及する。
• 時間依存的な流体力学スキームを用いて数値的に系を解き、ガスの光学厚さおよび脈動の取り扱いを、先行モデルに比して改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子ドリフトは、C豊富なAGB風におけるダスト形成過程の主要成長種にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ドリフトは、質量損失率などの風の全体的性質に変化を加えずに、非ドリフトモデルに比べてダスト総質量をどの程度増加させるか？
• RQ3 ドリフトは、内側風領域における局所的ダストシェルの形成に果たす役割は何か？
• RQ4 ドリフト速度の変化は、C₂H などの弱く結合した種の粒成長効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ドリフト依存のダスト形成をモデル化する際、気相における化学平衡仮定は信頼できるか？

主な発見

• ドリフトは、低速域（例：>10 km s⁻¹）でも粒子成長効率を顕著に向上させ、ドリフトモデルでは非ドリフトモデルに比べて数倍のダストが生成される。
• ドリフト速度に応じて主要成長種が変化する：ドリフト速度が上昇する（約10 km s⁻¹以上）と、C₂H がより重要になるが、全体的には C₂H₂ が依然として優勢である。
• ドリフト速度が30–35 km s⁻¹の領域では、ラジカルを介した成長（例：C₂H）が低ダスト密度領域で顕著になり、局所的な粒径進化が変化する。
• 高ドリフト領域では、成長メカニズムの変化に起因し、平均粒径が最大2桁減少する。
• 通常のドリフト条件下では、非熱的スパッタリングによるダスト破壊は無視できる程度に小さいことが判明した。
• ドリフト依存のダスト形成の微視的取り扱いは無視できない。これは、平均風の性質（質量損失率など）に変化を加えずに、ダスト質量および分布を顕著に変化させるからである。