[논문 리뷰] Dust driven mass loss from carbon stars as function of stellar parameters - II. Effects of grain size on wind properties

Lars Mattsson, S. Höfner|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 14인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 탄소-rich AGB 별에서 먼지가 이끄는 질량 손실에 미치는 입자 크기의 영향을 작은 입자 근사법(SPL)을 초월한 일반화된 먼지 투과도 계산을 포함한 복사-유체역학 모델을 사용하여 조사한다. 연구 결과, SPL 근사법은 임계적이고 임계선 근처의 모델에서 질량 손실과 바람 속도를 크게 과소평가하는 것으로 나타났으며, 이는 자가조절 피드백 메커니즘으로 인해 입자 크기 증가와 복사 가속도 간의 상호작용이 발생하기 때문이다. 반면, 잘 발달된 외부 대류에서는 영향이 미미하여 SPL 모델이 여전히 신뢰할 수 있다.

ABSTRACT

[Abridged] In this paper we explore grain size effects on wind properties of carbon stars, using a generalized description of radiative cross sections valid for particles of arbitrary sizes. The purpose of the study is to investigate under which circumstances the small particle limit (SPL) may give acceptable results, and to quantify the possible errors that may occur when it does not hold. The time-dependent description of grain growth in our detailed radiation-hydrodynamical models gives information about dust particle radii in every layer at every instant of time. These grain radii are used for computing opacities and determining the radiative acceleration of the dust-gas mixture. It is shown that in the critical cases the effect of the generalized description of dust opacities can be significant, resulting in more intense mass loss and higher wind velocities compared to models using SPL opacities. For well-developed winds, however, grain size effects on mass loss rates and wind velocities are found to be small. Both groups of models tend towards lower degrees of dust condensation compared to corresponding SPL models, due to a self-regulating feedback between grain growth and radiative acceleration. Consequently, the "dust-loss rates" are lower in the models with the generalized treatment of grain opacities. We conclude that our previous results on mass loss rates obtained with SPL opacities are reliable within a wide region of stellar parameter space, except for critical cases close to thresholds of dust-driven outflows where SPL models will tend to underestimate the mass loss rates and wind velocities.

연구 동기 및 목표

• 탄소별의 먼지가 이끄는 바람을 모델링할 때 작은 입자 근사법(SPL)의 타당성을 평가하기 위해.
• 입자 크기가 별의 복사 파장과 유사해질 경우 SPL 근사법에 의해 유도되는 오차를 정량화하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 복사-유체역학적 모델에서 입자 성장이 복사 가속도와 바람 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다양한 항성 파rameter 영역에서 일반화된 먼지 투과도를 사용한 모델과 SPL 근사법을 사용한 모델을 비교하기 위해.
• SPL 모델이 질량 손실률과 바람 속도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 비평형 먼지 형성과 입자 성장을 포함한 시간에 따라 변화하는 복사-유체역학 모델을 사용한다.
• 임의의 입자 크기에서 유효한 일반화된 마이 투과도 이론을 사용하여 먼지 투과도를 계산하며, 기존의 작은 입자 근사법(SPL)을 대체한다.
• 시간에 따라 변화하는 먼지 성장 시뮬레이션에서 유도된 입자 반지름을 바탕으로 각 공간 및 시간 점에서 투과도와 복사 가속도 계산에 활용한다.
• SPL과 일반화된 투과도를 사용한 모델 간의 바람 특성(질량 손실률, 최종 속도, 먼지 대 기체 비율, 응축 분율)을 비교한다.
• 두 가지 모델 그룹을 분석한다: 잘 발달된 외부 대류와 바람 형성 임계선 근처의 임계 모델.
• 기체와 먼지의 투과도를 고려한 주파수 의존 복사 전달을 적용하며, 유체역학 및 먼지 핵형성/성장과 결합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPL을 사용한 예측과 비교할 때, 입자 크기 효과는 탄소별의 질량 손실률과 바람 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 먼지가 이끄는 바람을 모델링할 때 SPL 근사법이 유효하지 않은 항성 파라미터 공간의 영역은 어디인가?
• RQ3 입자 성장과 복사 가속도 간의 자가조절 피드백 메커니즘이 바람 특성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 SPL과 일반화된 투과도 처리를 사용한 모델 간의 먼지 응축 분율은 어떻게 다른가?
• RQ5 임계적이고 임계선 근처의 경우에서 SPL 모델이 질량 손실률과 바람 속도를 얼마나 과소평가하는가?

주요 결과

• 먼지가 이끄는 바람 형성의 임계선 근처의 임계 모델에서는 일반화된 투과도 처리 방식이 SPL 모델보다 훨씬 높은 질량 손실률과 바람 속도를 나타낸다.
• 잘 발달된 외부 대류에서는 입자 크기의 영향이 질량 손실률과 바람 속도에 미치는 영향이 미미하여, SPL 모델이 이 영역에서는 여전히 신뢰할 수 있음을 시사한다.
• SPL 모델과 일반화된 모델 모두 입자 성장과 복사 가속도 간의 자가조절 피드백으로 인해 이전의 가정보다 먼지 응축 분율이 감소함을 보여준다.
• 일반화된 투과도를 사용한 모델에서는 먼지 응축이 감소함에 따라 '먼지 손실률'(단위 시간당 손실되는 먼지 질량)이 낮아진다.
• 특히 저광도 및 고효과 온도를 가진 모델에서, SPL 근사법은 임계 모델의 질량 손실률과 바람 속도를 최대 수 개의 지수 차수만큼 과소평가한다.
• 이 연구는 이전에 SPL 투과도에 기반한 결과가 대부분의 항성 파라미터 공간에서 신뢰할 수 있음을 확인하였으며, 바람 형성의 임계선 근처를 제외한 영역에서는 성립함을 입증한다.