[論文レビュー] Wind acceleration in AGB stars: Solid ground and loose ends

S. Höfner|arXiv (Cornell University)|May 27, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、脈動駆動の波面で形成されたダスト粒子の放射力による加速によって、AGB星における質量放出を説明するPulsation-Enhanced Dust-Driven Outflow (PEDDRO)モデルをレビューしている。最先端のモデルは、風の性質、光度、時間依存的な色の変化をうまく再現しており、ダスト駆動風は多波長観測によって裏付けられる強固なメカニズムであることが示唆されている。

ABSTRACT

The winds of cool luminous AGB stars are commonly assumed to be driven by radiative acceleration of dust grains which form in the extended atmospheres produced by pulsation-induced shock waves. The dust particles gain momentum by absorption or scattering of stellar photons, and they drag along the surrounding gas particles through collisions, triggering an outflow. This scenario, here referred to as Pulsation-Enhanced Dust-DRiven Outflow (PEDDRO), has passed a range of critical observational tests as models have developed from empirical and qualitative to increasingly self-consistent and quantitative. A reliable theory of mass loss is an essential piece in the bigger picture of stellar and galactic chemical evolution, and central for determining the contribution of AGB stars to the dust budget of galaxies. In this review, I discuss the current understanding of wind acceleration and indicate areas where further efforts by theorists and observers are needed.

研究の動機と目的

• 赤色超巨星（AGB）星におけるダスト駆動風加速の現在の理論的・観測的状況を評価すること。
• 脈動が衝撃波を引き起こし、ダスト形成を可能にするとともに、ダスト-ガス衝突によってガスが放射力で加速されるPEDDROモデルの妥当性を評価すること。
• 予測能力を制限する微視的要因（例：ダストの光学厚さ、非平衡化学）および巨視的要因（例：3次元対流、脈動ダイナミクス）に関する未解決の問題を特定すること。
• AGB星の質量放出を定量的かつ予測可能な理論に発展させるための今後の理論的・観測的取り組みを導くこと。
• 干渉計測や偏光測定を含む多波長・時間分解観測（例：Norris et al. 2012）を、自己一貫性のある風モデルと一致させること。

提案手法

• 衝撃加熱領域でダスト粒子が形成され、光子の散乱または吸収によって運動量を得るPEDDROフレームワークを用いて風加速をモデル化する。
• 時間依存的放射輸送と流体力学を用いて、ダスト形成、風加速、スペクトルエネルギー分布をシミュレートする。
• 重力に打ち勝てるかどうかを判定するための臨界光学厚さ条件 $\Gamma = \frac{\langle\kappa\rangle L_\ast}{4\pi c G M_\ast} \geq 1$ を用いる。
• 放射力と重力の相対的強さを評価するため、フラックス平均光学厚さ $\langle\kappa\rangle$ を適用し、$\langle\kappa\rangle_{\rm crit} \approx 2.6 \left(\frac{M_\ast}{M_\odot}\right)\left(\frac{L_\ast}{5000L_\odot}\right)^{-1}$ cm²/g と定める。
• 合成的光度測定とスペクトル的光度モデルを用いてダストの性質を制約し、観測された (J-K) および (V-K) 色と比較する。
• 干渉計測および偏光データ（例：Norris et al. 2012）を用いて、風加速領域における粒子サイズ（約0.3 μm）と空間的分布を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PEDDROモデルは、AGB星の観測された風速、質量放出率、光度変動を定量的に再現できるか？
• RQ2 M型AGB星における鉄を含まないケイ酸塩ダスト粒子が風を駆動する役割を果たすか、その光学厚さは風加速に必要な臨界値と比べてどの程度か？
• RQ3 大気中の脈動由来の衝撃波が、ダスト凝縮距離とガスへの運動量転送効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 一部のAGB星では、数スタリン半径の位置で中赤外スペクトルにケイ酸塩特徴が見られるが、他の星では見られないのはなぜか？これはダストの組成や形成条件に何を示唆するか？
• RQ5 3次元対流と脈動ダイナミクスが、ダスト形成と風加速に及ぼす影響の程度はどのくらいか？これらをよりよくモデル化するにはどうすればよいか？

主な発見

• アモルファス炭素粒子を用いたPEDDROモデルは、炭素過剰AGB星の風の性質と近赤外光度をうまく再現しており、合成された (J-K) および (V-K) 色は観測と一致する。
• M型AGB星では、鉄を含まないケイ酸塩粒子による光子散乱が風加速の有効なメカニズムであることが示され、モデルは観測された風速と光度変動を再現している。
• 時間依存的モデルでは、分子特徴（例：TiO, H₂O）の脈動駆動による変化が (J-K) 対 (V-K) 図に平坦なループを生じさせ、ダスト光学厚さの影響ではない。これは可視光および近赤外域での高透過性を示唆する。
• 干渉計測研究により、約2 R⋆ の位置でダスト粒子サイズが約0.3 μmであることが解明され、風加速領域に効率的な散乱体が存在することが裏付けられた。
• 中赤外スペクトル干渉計測では、一部の星（例：Sacuto et al. 2013）で数スタリン半径の位置にケイ酸塩特徴を検出しているが、アルミニウムを含む粒子は光学的性質が不確実なため、モデリングを複雑にしている。
• 進展は見られたが、現在のモデルは簡略化されたピストン駆動脈動に依存しており、完全な3次元対流を含んでいない。したがって、現実のダイナミクスを捉えるために、3Dスターアンドウィンドインアボックスのシミュレーションの開発が急務である。