[논문 리뷰] Dust cloud formation in stellar environments. II. Two-dimensional models for structure formation around AGB stars

P. Woitke, G. Niccolini|ArXiv.org|2004. 04. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 26인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 C-형 AGB 항성 주변의 먼지 형성 가스에서 발생하는 복사/열 불안정성이 별을 향해 향하는 손가락 모양의 더 춥고 먼지로 이루어진 구조를 형성하는 것을 보여주는 2차원 축대칭 모델을 제시한다. 이 불안정성은 복사 전달과 먼지 투과도 사이의 피드백 루프로 인해 발생하며, 자가 차폐와 국소적 먼지 응집을 유도하여 행 星 난방 성운에서 관측된 코메타 모양의 덩어리 구조를 재현한다.

ABSTRACT

This paper reports on computational evidence for the formation of cloud-like dust structures around C-rich AGB stars. This spatio-temporal structure formation process is caused by a radiative/thermal instability of dust forming gases as identified by Woitke et al.(2000). Our 2D (axisymmetric) models combine a time-dependent description of the dust formation process according to Gail & Sedlmayr (1988) with detailed, frequency-dependent continuum radiative transfer by means of a Monte Carlo method (Niccolini et al.2003) in an otherwise static medium (v=0). These models show that the formation of dust behind already condensed regions, which shield the stellar radiation field, is strongly favoured. In the shadow of these clouds, the temperature decreases by several hundred Kelvin which triggers the subsequent formation of dust and ensures its thermal stability. Considering an initially dust-free gas with small density inhomogeneities, we find that finger-like dust structures develop which are cooler than the surroundings and point towards the centre of the radiant emission, similar to the cometary knots observed in planetary nebulae and star formation regions. Compared to a spherical symmetric reference model, the clumpy dust distribution has little effect on the spectral energy distribution, but dominates the optical appearance in near IR monochromatic images.

연구 동기 및 목표

• C-형 AGB 항성의 별주변 환경에서 덩어리진 먼지 구조의 형성 원인을 조사하기 위해.
• 복사/열 불안정성이 먼지 형성 가스에서 자가 조직화된 비구형 구조를 유도할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 그림자 영역에서 새로운 먼지가 안정화되는 데 있어 자가 차폐와 온도 감소의 역할을 규명하기 위해.
• 덩어리진 구조와 구형 대칭 먼지 분포 간의 광학적 외관과 스펙트럼 에너지 분포를 비교하기 위해.
• 이러한 불안정성이 AGB 항성에서 비대칭 질량 손실을 이끄는 메커니즘으로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• Gail & Sedlmayr (1988)의 방법에 기반한 시간에 따라 변화하는 먼지 형성 처리를 적용한 2차원 축대칭 모델을 사용한다.
• Niccolini 등 (2003)의 몬테카를로 방법을 통해 주파수 의존 연속 복사 전달을 통합한다.
• 복사/열 효과를 분리하기 위해 정적 매질과 영속 속도($\vec{v} = 0$)를 가정한다.
• 구좌표계에서 $N_r = 71$ 개의 경사 및 $N_\theta = 71$ 개의 각도 셀을 사용하여 토러이드 형태의 셀을 구성한다.
• 중간면 위에서는 $C_2 = 0.10$, 아래에서는 $0.03$ 으로 설정된 가우시안 난수 장을 통해 초기 밀도 비균일성을 도입한다.
• 그림자 영역에서의 자가 차폐 반응에 따라 먼지 형성, 온도, 투과도의 진화를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사/열 불안정성이 먼지 형성 가스에서 비구형이고 덩어리진 먼지 구조를 형성할 수 있는가?
• RQ2 기존의 먼지 구름에 의한 자가 차폐가 하류 영역의 온도와 이후 먼지 응집에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 밀도 비균일성이 손가락 모양의 먼지 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 덩어리진 먼지 분포가 구형 대칭 모델 대비 스펙트럼 에너지 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 덩어리진 구조가 단색 이미지에서 근적외선 영역의 광학적 외관을 얼마나 지배하는가?

주요 결과

• 손가락 모양의 먼지 구조는 항성 복사에서 차폐된 영역에서 형성되며, 온도가 수백 켈빈 감소한다.
• 그림자 영역에서의 온도 저하가 추가 먼지 응집을 유도하며, 새로 형성된 먼지의 열적 안정성을 확보한다.
• 덩어리진 먼지 분포가 구형 모델과 비교해 전체 스펙트럼 에너지 분포에 미치는 영향은 미미하다.
• 근적외선 단색 이미지에서 덩어리진 구조가 광학적 외관을 지배하며, 코메타 모양의 덩어리와 유사하다.
• 이미 응축된 영역 뒤에서 먼지 형성이 크게 유리해지며, 복사 차폐와 냉각 속도 감소로 인해 발생한다.
• 모델은 별주변 환경에서 관측된 코메타 모양의 덩어리의 형태를 재현하며, 중심 항성 향해 향하는 구조를 포함한다.