[논문 리뷰] Dust Formation in the Presence of Photons I: Evaporation Rates for Small Dust Grains

C. S. Kochanek|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 복사장에서 작은 먼지 입자들의 증발 속도에 대한 분석 모델을 수립하여, 특히 자외선(UV)에 의한 확률적 가열이 충돌에 의한 냉각보다 지배적이며, 이로 인해 먼지 형성이 복사장의 경도에 매우 민감하게 영향을 받음을 보여준다. 탄소기반과 규소기반 먼지 입자의 효과적 증발 온도를 위한 보간 공식을 유도하여, 고자외선 복사장에서 먼지 형성을 가능하게 하는 별은 오직 G형 및 F형 별뿐임을 밝혀내며, 이는 OH/IR 별과 LBV에서 관측되는 간헐적 먼지 형성을 질량 손실 변화가 아닌 온도 변화에 기인한 것으로 설명한다.

ABSTRACT

The temperature of newly forming dust is controlled by the radiation field. As dust forms around stars, stellar transients, quasars or supernovae, the grains must grow through a regime where they are stochastically heated by individual photons. Since evaporation rates increase exponentially with temperature while cooling times decrease only as a power law, the evaporation rates for these small grains are dominated by the temperature spikes. We calculate effective evaporation temperatures for a broad range of input spectra that are encapsulated in a series of simple interpolation formulae for both graphitic and silicate grains. These can be easily used to first determine if dust formation is possible and then to estimate the radius or time at which it commences for a broad range of radiation environments. With these additional physical effects, very small grains may form earlier than in standard models of AGB winds. Even for very high mass loss rates, the hottest stars that can form dust are G and F stars particularly in the case of silicate dusts. For hotter stars, the higher fluxes of ultraviolet photons prevent dust formation. Thus, episodic dust formation by OH/IR stars and LBVs is primarily driven by fluctuations in their apparent temperatures rather than changes in luminosity or mass loss rates.

연구 동기 및 목표

• 작은 먼지 입자 형성 중 광자에 의한 확률적 가열이 증발 속도에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 특히 고온 별 주변에서 자외선 광자가 支배하는 복사장 환경에서 먼지 형성이 가능한 조건을 규명하는 것.
• LBV와 OH/IR 별과 같은 별들에서 관측되는 간헐적 먼지 형성이 질량 손실 또는 빛의 강도 변화가 아닌 온도 변동에 기인함을 설명하는 것.
• 다양한 천체물리적 복사 환경에 적용 가능한 실용적인 보간 기반의 효과적 증발 온도 공식을 제공하는 것.

제안 방법

• 개별 광자가 작은 입자(입자 수 N ≈ 10–100)를 가열하는 과정을 복사전달 및 입자 열평형 모델링을 통해 분석한다.
• 식 (24)를 사용하여 입자 크기(N), 흑체 온도(T_bb), 복사 온도(T_*)에 따라 효과적 증발 온도를 유도한다.
• 진동 모드의 양자역학적 모델을 적용하여 증발 에너지와 증발 속도를 추정하며, 온도에 대한 지수적 의존성을 고려한다.
• 냉각 시간(幂함수 형태)과 증발 속도(온도에 대한 지수함수)를 비교하여, 짧은 열폭주 기간 동안 증발이 지배적임을 보여준다.
• 탄소기반 및 규소기반 먼지 입자에 대한 보간 공식을 개발하여 다양한 복사 환경에서 먼지 형성이 가능한 조건을 추정한다.
• AGB 별, 초신성, 활성은하핵, 별의 일시적 변동 현상 등 알려진 천체물리적 체계에 대해 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저밀도, 고온 복사장에서 작은 먼지 입자의 증발 속도에 미치는 광자에 의한 확률적 가열 사건의 영향은 무엇인가?
• RQ2 다양한 복사 스펙트럼에 노출된 작은 먼지 입자의 효과적 증발 온도는 무엇이며, 이를 천체물리 모델에 적용하기 위해 어떻게 매개변수화할 수 있는가?
• RQ3 고온 별(B형)은 높은 질량 손실율을 보이지만 왜 먼지 형성을 하지 못하는가? 자외선 복사의 역할은 무엇인가?
• RQ4 순간적인 가열 사건으로 인해 형성 중인 먼지 입자의 명백한 온도는 기체 온도와 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 LBV와 OH/IR 별에서의 간헐적 먼지 형성은 빛의 강도나 질량 손실 변화가 아닌, 복사장의 효과적 온도 변화에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 저밀도 환경에서 자외선 광자에 의한 확률적 가열은 충돌에 의한 냉각보다 지배적이며, 이로 인해 증발 속도는 일시적인 온도 급상승에 대해 지수적으로 민감하게 반응한다.
• 작은 입자에 대한 효과적 증발 온도는 복사장의 경도에 크게 의존하며, T_*가 클수록 먼지 형성이 급격히 억제된다.
• 고자외선 환경에서 먼지 형성을 가능하게 하는 별은 오직 G형 및 F형 별뿐이며, B형 별은 높은 질량 손실율을 보일지라도 과도한 자외선 복사로 인해 먼지 형성을 하지 못한다.
• 규소기반 먼지의 경우 증발 임계점이 낮아 탄소기반 먼지보다 복사장의 경도에 더 민감하게 반응한다.
• OH/IR 별과 LBV에서의 간헐적 먼지 형성은 주로 명백한 항성 온도 변화에 의해 주도되며, 빛의 강도나 질량 손실 변화와는 무관하다.
• T_* ≈ 25,000 K(자외선 컷오프 이후에도)인 활성은하핵의 물질 분출에서는 확률적 가열 효과가 너무 강하여 먼지 형성이 거의 불가능할 것으로 보이며, 이는 관측된 PAH 특징의 부재와 일치한다.