[논문 리뷰] Dynamic atmospheres and winds of cool luminous giants, I. Al$_2$O$_3$ and silicate dust in the close vicinity of M-type AGB stars

S. Höfner, Sara Bladh외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 67인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 M형 AGB 항성의 대기 및 바람에서 산화알루미늄(Al₂O₃) 먼지 형성에 대해 시간에 따라 변화하는 복사유체역학 모델을 사용하여 조사한다. 연구 결과, Al₂O₃가 복사加열에 견딜 수 있으려면 시각 및 가까운 적외선 영역에서 허구적 굴절률 k ≤ 10⁻³로 매우 투명해야 하며, 바람을 직접 이끄는 데에는 부적합하지만, 실리케이트 막대 성장의 씨앗으로 작용하여 질량 손실를 증가시키고, 펄스 주기 동안 관측된 색상 변화와 일치시킨다.

ABSTRACT

High spatial resolution techniques have given valuable insights into the mass loss mechanism of AGB stars, which presumably involves a combination of atmospheric levitation by pulsation-induced shock waves and radiation pressure on dust. Observations indicate that Al$_2$O$_3$ condenses at distances of about 2 stellar radii or less, prior to the formation of silicates. Al$_2$O$_3$ grains are therefore prime candidates for producing the scattered light observed in the close vicinity of several M-type AGB stars, and they may be seed particles for the condensation of silicates at lower temperatures. We have constructed a new generation of Dynamic Atmosphere & Radiation-driven Wind models based on Implicit Numerics (DARWIN), including a time-dependent treatment of grain growth & evaporation for both Al$_2$O$_3$ and Fe-free silicates (Mg$_2$SiO$_4$). The equations describing these dust species are solved in the framework of a frequency-dependent radiation-hydrodynamical model for the atmosphere & wind structure, taking pulsation-induced shock waves and periodic luminosity variations into account. Condensation of Al$_2$O$_3$ at the close distances and in the high concentrations implied by observations requires high transparency of the grains in the visual and near-IR region to avoid destruction by radiative heating. For solar abundances, radiation pressure due to Al$_2$O$_3$ is too low to drive a wind. Nevertheless, this dust species may have indirect effects on mass loss. The formation of composite grains with an Al$_2$O$_3$ core and a silicate mantle can give grain growth a head start, increasing both mass loss rates and wind velocities. Furthermore, our experimental core-mantle grain models lead to variations of visual and near-IR colors during a pulsation cycle which are in excellent agreement with observations.

연구 동기 및 목표

• M형 AGB 항성 주변 근처에서 Al₂O₃가 응축되는 조건, 특히 바람 형성에서의 역할을 이해하기 위해.
• 해당 항성에 매우 가까운 거리에서 고온 상태임에도 불구하고 Al₂O₃가 복사加열에 견딜 수 있는지 확인하기 위해.
• Al₂O₃가 실리케이트 먼지 형성의 씨앗이 될 잠재력과 복사압을 통한 질량 손실 증가에 기여하는 간접적 역할을 평가하기 위해.
• 펄스 주기에 따른 관측된 가까운 적외선 및 시각 색상 변화를 펄스 주기에 기반한 먼지 형성 이론 모델과 조율하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 Al₂O₃ 및 철을 포함하지 않은 실리케이트(Mg₂SiO₄)의 입자 성장과 증발을 시간에 따라 변화시키는 새로운 세대의 동적 대기 및 복사압 바람 모델(DARWIN)을 사용한다.
• 모델은 주파수 의존성 복사유체역학 방정식을 해결하며, 주기적인 빛의 세기 변화와 충격파를 포함한 펄스 유도 파동을 시간 변화 경계 조건을 통해 포함한다.
• 입자 온도는 복사 평형 조건 하에 계산되며, 흡수된 복사와 방출된 복사 간의 균형을 기반으로 하며, 주파수 평균화된 순간을 사용해 먼지 투과도와 복사 온도를 계산한다.
• 에딩턴 인자와 복사 전달은 순간 방정식을 닫기 위해 특성선 방법을 사용하여 해결한다.
• 경계 조건은 반경 방향 속도와 빛의 세기 변화를 푸리에 급수로 설정하여 펄스 효과를 민첩하게 모델링할 수 있도록 한다.
• 밀도와 온도의 급격한 기울기를 정확하게 해석하기 위해 보존적이고 2차 정확도를 가진 단조성 운반 방법과 적응형 격자를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M형 AGB 항성으로부터 약 2개의 항성 반지름 거리에서 Al₂O₃ 입자가 복사加열에 견딜 수 있도록 하기 위해 필요한 투명도(허구적 굴절률) 수준은 어느 정도인가?
• RQ2 태양 농도를 가정할 때, Al₂O₃의 광학적 특성과 함께 복사압이 순수 Al₂O₃ 입자로 인해 별 바람을 직접 이끌 수 있는가?
• RQ3 실리케이트 막대를 가진 Al₂O₃ 코어가 형성될 경우 먼지 성장, 질량 손실율, 바람 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 코어-막대 Al₂O₃/실리케이트 입자가 관측된 시각 및 가까운 적외선 색상 변화를 펄스 주기 동안 얼마나 잘 재현할 수 있는가?

주요 결과

• Al₂O₃ 입자가 복사加열에 의해 파괴되지 않도록 하기 위해 시각 및 가까운 적외선 영역에서 허구적 굴절률 k ≤ 10⁻³이어야 하며, 이는 천체 농도의 불순물인 Cr과 일치한다.
• 순수 Al₂O₃ 입자에 작용하는 복사압은 태양 농도 조건에서 바람을 이끄는 데에는 너무 약하여, Al₂O₃가 주요 바람 추진 요소일 수 없다는 것을 배제한다.
• 철을 포함하지 않은 실리케이트 막대를 가진 Al₂O₃ 코어를 가진 코어-막대 입자는 순수 실리케이트 입자보다 먼지 성장을 증가시키며, 질량 손실율과 바람 속도를 모두 높인다.
• 복합 Al₂O₃/실리케이트 입자의 형성이 시간에 따라 변하는 시각 및 가까운 적외선 색상 변화를 유도하며, 관측된 펄스 주기 변화와 일치한다.
• M형 AGB 항성에서 관측된 내부 먼지 케이스는 Al₂O₃ 입자가 실리케이트 응축의 씨앗으로 작용하고 효과적으로 항성 빛을 산산이 튀기게 하므로 가장 잘 설명된다.
• 모델은 Al₂O₃가 ≤2 R⋆ 거리에서 응축됨을 확인하였으며, 이는 스펙트로-간섭측정 관측과 일치하며, 바람 가속 영역에서 실리케이트 형성 이전에 발생한다.