[論文レビュー] Tracing the phase transition of Al-bearing species from molecules to dust in AGB winds. Constraining the presence of gas-phase (Al2O3)n clusters

L. Decin, A. M. S. Richards+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、R DorおよびIK TauのALMA観測を用いて、酸化アルミニウムを含む気相種の追跡と酸素過剰なAGB星におけるダスト形成の制約を行う。その結果、アルミニウムの約2%しかAlO、AlOH、AlClに存在しないことが示され、これは大規模な気相（Al₂O₃)ₙクラスター（n > 34）がSEDにおける広帯域11 µm特徴を担っている可能性を示唆し、酸化アルミニウム凝縮効率に関する現在のモデルに挑戦する。

ABSTRACT

(abbreviated) We aim to constrain the dust formation histories in the winds of oxygen-rich AGB stars. We have obtained ALMA observations with a spatial resolution of 120x150 mas tracing the dust formation region of a low mass-loss rate and a high mass-loss rate AGB star, R Dor and IK Tau. Emission line profiles of AlO, AlOH and AlCl are detected and are used to derive a lower limit of atomic aluminium incorporated in molecules. We show that the gas-phase aluminium chemistry is completely different in both stars, with a remarkable difference in the AlO and AlOH abundance stratification. The amount of aluminium locked up in these 3 molecules is small, <=1.1e-7, for both stars, i.e. only <=2% of the total aluminium budget. This leaves ample of room for aluminium to be incorporated in grains. A fundamental result is that AlO and AlOH, being the direct precursors of alumina grains, are detected well beyond the onset of the dust condensation proving that the aluminium oxide condensation cycle is not fully efficient. The ALMA observations allow us to quantitatively assess the current generation of theoretical dynamical-chemical models for AGB winds. We discuss how the current proposed scenario of aluminium dust condensation for low mass-loss rate AGB stars at a distance of ~1.5 Rstar, in particular for the stars R Dor and W Hya, poses a challenge if one wishes to explain both the dust spectral features in the spectral energy distribution (SED), in interferometric data, and in polarized light signal. In particular, the estimated grain temperature of Al2O3 is too high for the grains to retain their amorphous structure. We propose that large gas-phase (Al2O3)n-clusters (n>34) can be the potential agents of the broad 11 micron feature in the SED and in the interferometric data and we explain how these large clusters can be formed.

研究の動機と目的

• 酸素過剰なAGB星におけるアルミニウム含有種の気相からダストへの相転移を制約する。
• 酸化アルミニウム（Al₂O₃）の凝縮効率がダスト核形成経路としてどれほど効率的であるかを調査する。
• ALMAによる分子線プロファイル観測と現在の動的・化学的モデルの整合性を評価する。
• 低質量損失率の酸素過剰AGB星のSEDにおける広帯域11 µm特徴の起源を説明する。
• 気相（Al₂O₃)ₙクラスターが11 µm特徴を担う役割とその風環境下での形成可能性を評価する。

提案手法

• R DorおよびIK Tauの内側風領域を120×150 masの高空間分解能でALMA観測し、マッピングを行う。
• AlO、AlOH、AlClの放射線線プロファイルを検出・分析し、気相分子中の原子アルミニウムの下限を導出する。
• 放射線輸送モデリングを適用して、両星におけるアルミニウム含有種の分圧を制約する。
• 観測された分子濃度を用いて、ダスト凝縮に利用可能なアルミニウムの割合を推定する。
• 観測制約と照らし合わせて、AGB風化学およびダスト形成の理論的モデルを評価する。
• 放射線的・構造的性質の可能性に基づき、大規模な（Al₂O₃)ₙクラスター（n > 34）がSEDにおける広帯域11 µm特徴を説明できると提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R DorおよびIK Tauの内側風において、アルミニウムのどの程度が気相種のAlO、AlOH、AlClに閉じ込められているか？
• RQ2 酸素過剰なAGB風において、気相前駆体からAl₂O₃がどれほど効率的に凝縮するか？
• RQ3 低質量損失率の酸素過剰AGB星のSEDにおける11 µm特徴が広帯域であり、標準的なアモルファスAl₂O₃粒子ではうまく説明できないのはなぜか？
• RQ4 大規模な気相（Al₂O₃)ₙクラスター（n > 34）が観測された11 µm特徴を説明でき、風環境下でも安定していると仮定できるか？
• RQ5 R DorおよびIK Tauにおける観測された分子濃度の分布が、現在のAGB風化学理論モデルにどのように挑戦しているか？

主な発見

• R DorおよびIK TauにおけるAlO、AlOH、AlClの合計濃度は≤ 1.1 × 10⁻⁷であり、これは全アルミニウム予算の≤ 2%に相当する。
• AlOおよびAlOHはダスト凝縮半径をはるかに超えて検出されており、酸化アルミニウムの凝縮サイクルが完全に効率的でないことを示している。
• アモルファスAl₂O₃の推定粒温は、そのアモルファス構造を維持するには高すぎるため、標準的なAl₂O₃が主たるダスト核であるというモデルに疑問を呈する。
• n > 34の大きな気相（Al₂O₃)ₙクラスターが、SEDおよび干渉計測データにおける広帯域11 µm特徴の担い手であると提案される。
• R DorおよびIK Tauにおける観測された分子化学は顕著に異なり、低質量損失率および高質量損失率のAGB星における化学経路の違いを示している。
• ALMA観測は、AGB風化学およびダスト形成の理論的動的・化学的モデルの検証と精錬に強力な診断ツールを提供する。