[논문 리뷰] Effect of dust rotational disruption by radiative torques on radiation pressure feedback from massive protostars

Thiem Hoang|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 76인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 거대한 원형은은별 환경에서 복사 토크에 의해 유도되는 회전 파괴(RATD)가 먼지 입자에 의해 복사압력 투과도를 약 ~3배 감소시켜 복사 피드백을 약화시키고, 매우 거대한 별의 형성에 도전하는지를 조사한다. 강한 복사장에서 입자 크기의 진화를 모델링함으로써, 본 연구는 RATD가 마이크론 크기의 먼지 입자를 빠르게 더 작은 입자로 분해시켜 먼지 성질을 변화시키고, 기존 모델 대비 복사압력 효율성을 떨어뜨림을 보여준다.

ABSTRACT

Radiation pressure on dust is thought to play a crucial role in the formation process of massive stars by acting against gravitational collapse onto the central protostar. However, dust properties in dense regions irradiated by the intense radiation of massive protostars are poorly constrained. Previous studies usually assume the standard interstellar dust model to constrain the maximum mass of massive stars formed by accretion, which appears to contradict with dust evolution theory. In this paper, using the fact that stellar radiation exerts on dust simultaneous radiation pressure and radiative torques, we study the effects of grain rotational disruption by radiative torques (RATs) on radiation pressure and explore its implications for massive star formation. For this paper, we focus on the protostellar envelope and adopt a spherical geometry. We find that original large grains of micron-sizes presumably formed in very dense regions can be rapidly disrupted into small grains by RATs due to infrared radiation from the hot dust shell near the sublimation front induced by direct stellar radiation. Owing to the modification in the size distribution by rotational disruption, the radiation pressure opacity can be decreased by a factor of $\sim 3$ from the value expected from the original dust model. However, to form massive stars via spherical accretion, the dust-to-gas mass ratio needs to be reduced by a factor of $\sim 5$ as previously found.

연구 동기 및 목표

• 거대 원형은은별 환경에서 복사 토크 파괴(RATD)가 복사압력 피드백에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 표준 간성간 먼지 모델(MRN 등)과 고밀도·고복사장 지역에서 관측된 큰 먼지 입자 간의 모순을 해결하기 위해.
• RATD가 입자 크기 분포를 어떻게 수정하고, 그로 인해 원형은은별 코코넛 내 복사압력 투과도에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 구형 수축을 통한 거대 별 형성에서, RATD가 극도로 높은 먼지-가스 비율 감소가 필요 없도록 하는지 평가하기 위해.
• RATD가 복사압력 가속보다 더 빠르게 작용하여 강한 복사장에서 먼지 진화의 주요 메커니즘이 되는지를 확인하기 위해.

제안 방법

• 중앙에 거대한 원형은은별이 존재하는 구형 대칭 모델을 도입하여 강한 복사장을 갖는 원형은은별 환경을 모델링하였다.
• 비정형 먼지 입자에 작용하는 복사 토크(RATs)를 모델링하여, 초과열역도 회전과 그로 인한 이완 응력(centrifugal stress)을 계산하였다.
• RATD 기준을 사용: 이완 응력이 먼지 재료의 인장 강도를 초과하면 파손이 발생한다.
• 복사 강도, 입자 크기, 재료 강도를 바탕으로 파손 timescale을 계산하고, 복사압력 가속 timescale과 비교하였다.
• RATD를 적용하여 동적으로 먼지 크기 분포를 업데이트한 후, 수정된 분포에서 복사압력 투과도(IR 및 UV)를 재계산하였다.
• 간단한 기하학적 구조에서 복사 전달 및 유체역학을 해결하였으며, 주로 서브리모션 프론트 근처의 코코넛 영역에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사 토크에 의해 유도되는 회전 파괴(RATD)는 거대 원형은은별 주변의 뜨거운 먼지 코코넛에서 입자 크기 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 먼지 입자를 파괴하는 데 있어 RATD와 복사압력 가속 간의 상대적 효율성은 어떠한가?
• RQ3 RATD는 특히 적외선(IR) 및 엑스트라버iolet(UV) 대역에서 복사압력 투과도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 RATD는 거대 별 형성 과정에서 수축을 막는 데에 효과적인 복사압력 피드백의 효율성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 RATD에 의해 수정된 먼지 투과도는 거대 별 형성에 필요한 먼지-가스 질량 비율 감소를 어느 정도 줄여주는가?

주요 결과

• RATD는 마이크론 크기의 다공성 먼지 입자를 복사압력 가속보다 훨씬 빠르게 더 작은 파편으로 분해시켜, 강한 복사장에서 주요 먼지 진화 과정이 된다.
• RATD 이후 발생하는 입자 크기 분포는 표준 간성간 매질(ISM) 분포와 유사하며, 원래의 큰 입자 모델 대비 복사압력 투과도가 약 ~3배 감소한다.
• 적외선 복사압력 투과도는 중심 항성으로부터의 거리가 줄어들수록 파손 증가로 인해 감소하며, 이는 환경에서 광자 탈출을 증가시킨다.
• 자외선 복사압력 투과도는 더 작은 입자가 풍부해져서 크게 증가하지만, 이는 감소한 적외선 투과도를 상쇄하지 못한다.
• 투과도 감소에도 불구하고, 복사압력 피드백은 먼지-가스 질량 비율을 약 ~5배 감소시켜야만 수축을 막을 수 있으며, 이는 거대 별 형성의 복사압력 장벽을 확인한다.
• RATD로 인해 거대 별 형성 영역의 먼지 성질은 표준 ISM 먼지와 근본적으로 다름을 보이며, 정확한 피드백 모델링에 이 메커니즘을 포함시켜야 한다.