[논문 리뷰] Dust driven mass loss from carbon stars as a function of stellar parameters - I. A grid of Solar-metallicity wind models

Lars Mattsson, Rurik Wahlin외 1명|ArXiv.org|2009. 09. 08.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 66

한 줄 요약

이 연구는 태양금속도를 가진 탄소별에 대한 900개의 자기일관성 있는 복사유체역학 모델을 제시하며, 주파수 의존 복사전달과 시간에 따라 변화하는-dust 형성 물리학을 통합하여 별성 파rameter에 따른 질량 손실의 의존성을 체계적으로 탐구한다. 주요 발견은 먼지에 의해 구동되는 풍속이 매개변수 공간 내에서 복잡한 임계값을 초과할 때만 가능하며, 질량 손실률이 탄소 농도, 온도, 복사원천 강도 및 진동 속도에 따라 강하게 의존한다는 것이다. 이에 따라 별진화 모델에서 정확한 질량 손실 규정을 제공하기 위한 공개된 FORTRAN 루틴이 제공된다.

ABSTRACT

[Abridged] We have computed a grid of 900 numeric dynamic model atmospheres (DMAs) using a well-tested computer code. This grid of models covers most of the expected combinations of stellar parameters, which are made up of the stellar temperature, the stellar luminosity, the stellar mass, the abundance of condensible carbon, and the velocity amplitude of the pulsation. The resultant mass-loss rates and wind speeds are clearly affected by the choice of stellar temperature, mass, luminosity and the abundance of available carbon. In certain parts of the parameter space there is also an inevitable mass-loss threshold, below which a dust-driven wind is not possible. Contrary to some previous studies, we find a strong dependence on the abundance of free carbon, which turns out to be a critical parameter. Furthermore, we have found that the dust grains that form in the atmosphere may grow too large for the commonly used small particle approximation of the dust opacity to be strictly valid. This may have some bearing on the wind properties, although further study of this problem is needed before quantitative conclusions can be drawn. The wind properties show relatively simple dependences on stellar parameters above the mass-loss threshold, while the threshold itself is of a more complicated nature. Hence, we chose not to derive any simplistic mass-loss formula, but rather provide a mass-loss prescription in the form of an easy-to-use FORTRAN routine. Since this mass-loss routine is based on data coming from an essentially self-consistent model of mass loss, it may therefore serve as a better mass-loss prescription for stellar evolution calculations than empirical formulae. Furthermore, we conclude that there are still some issues that need to be investigated, such as the role of grain-sizes.

연구 동기 및 목표

• 탄소가 풍부한 AGB 별에서 질량 손실이 온도, 복사원천 강도, 질량, 탄소 농도 및 진동 속도와 같은 주요 별성 파rameter에 어떻게 의존하는지 체계적으로 조사하는 것.
• 특히 비트리비얼한 질량 손실 임계값의 존재를 고려할 때 먼지에 의해 구동되는 풍속이 형성될 수 있는 물리적 조건을 규명하는 것.
• 세부적인 복사전달 및 먼지 형성 물리학을 통합하여 기존의 경험적 공식보다 더 물리적으로 타당한 자기일관성 있는 질량 손실 규정을 개발하는 것.
• 모델에서 예측된 입자 크기 변화를 분석하여 먼지 투과율에 대한 소입자 근사의 타당성을 평가하는 것.
• 별진화 및 핵종합계산에 사용할 수 있도록, 보간된 모델 데이터 기반의 공개 가능하고 사용이 쉬운 FORTRAN 루틴을 제공하는 것.

제안 방법

• 넓은 범위의 별성 파rameter를 대상으로 900개의 동적 대기 모델(DMA)을 계산하기 위해 검증된 코드를 사용한 수치적 복사유체역학(RHD) 모델링.
• 환경 내 복사와 먼지 간의 상호작용을 정확히 모델링하기 위해 주파수 의존 복사전달을 통합.
• 핵형성, 응축 및 입자 성장 포함, 시간에 따라 변화하는 먼지 형성 처리를 통해 풍속 영역 내 실질적인 먼지 생성을 시뮬레이션.
• 기체 역학과 먼지 역학 간의 자기일관성 있는 결합을 사용하며, 복사압이 먼지 입자에 작용하여 동량을 전달함으로써 풍속을 구동.
• 5차원 파ram터 공간(T_eff, L, M, C/O, Δu_p)에서 모델 결과를 보간하여 질량 손실률을 위한 룩업 테이블 생성.
• 해상도 영향(64 대 440개 주파수 점)을 시험하고 파ram터 변화에 대한 민감도를 평가하여 모델의 탄력성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소별에서 먼지에 의해 구동되는 질량 손실이 가능해지거나 억제되는 데 필요한 별성 파ram터 조합은 무엇인가?
• RQ2 효과 온도, 복사원천 강도, 별질량, 탄소 농도 및 진동 속도에 따라 질량 손실률과 풍속은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 모델에서 예측된 입자 크기를 고려할 때, 먼지 투과율에 대한 소입자 근사는 어느 정도 타당한가?
• RQ4 매개변수 공간 내 질량 손실 임계값의 성격은 무엇이며, 왜 단순한 경험적 임계값보다 더 복잡한가?
• RQ5 경험적 피팅이 아닌, 제1원리 모델에서 물리적으로 일관되고 자기 캘리브레이션된 질량 손실 규정을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 탄소별의 질량 손실은 응축 가능한 탄소의 농도에 크게 의존하며, 이 농도가 임계값 이하일 경우 먼지에 의해 구동되는 풍속을 유지할 수 없다.
• 임계값 이상에서는 풍속 특성인 질량 손실률과 풍속이 별성 파ram터에 대해 상대적으로 단순한 의존성을 보이지만, 임계값 자체는 온도, 탄소 농도 및 복사원천 강도 간의 복잡한 상호작용에서 기인한다.
• 진동 진폭이 4.0 km s⁻¹인 모델은 일반적으로 몇 배 10⁻⁶ M☉ yr⁻¹ 수준의 질량 손실률을 보이며, 10⁻⁷ M☉ yr⁻¹ 이하의 질량 손실률을 보이는 모델은 없어, 그러한 낮은 비율을 유지하는 데 물리적 어려움이 있음을 시사한다.
• 풍속은 1에서 60 km s⁻¹ 사이에서 변동하며, 가장 탄소 농도가 높고 AGB의 꼬리부분에 위치한 별에서 가장 빠른 풍속이 관측되지만, 관측된 탄소별은 흔히 40 km s⁻¹를 초과하지 않으며, 이는 선택 효과 때문일 수 있다.
• 풍속을 생성하는 모델에서 특징적인 입자 크기는 약 10⁻⁵ cm에 도달하며, 이는 소입자 근사가 엄밀히 유효하지 않음을 시사하므로, 투과율 모델링에 잠재적인 제약가능성이 있다.
• 핵형성과 성장 시간 상호작용의 경쟁을 반영하여, 입자 크기와 풍속 사이, 그리고 입자 크기와 탄소 농도 사이에 반비례 관계가 발견된다.