[논문 리뷰] Exploring wind-driving dust species in cool luminous giants III. Wind models for M-type AGB stars: dynamic and photometric properties

Sara Bladh, S. Höfner외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 25인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 M형 AGB 항성에 대한 시간에 따라 변화하는 복사수열역학 모델의 처음으로 광범위한 세트를 제시하며, 마그네슘 실리케이트(Mg2SiO4) 먼지 입자에서의 광자 산산이 실제 항성 바람을 이끌 수 있음을 보여준다. 모델들은 관측된 질량 손실률, 바람 속도 및 가시광선/근적외선 복사계수를 성공적으로 재현하지만, 먼지 입자의 온도를 높이기 위해 소량의 철(Fe)을 첨가하지 않으면 10 및 18 μm에서 실리케이트 특징이 나타나지 않는다.

ABSTRACT

Stellar winds observed in asymptotic giant branch (AGB) stars are usually attributed to a combination of stellar pulsations and radiation pressure on dust. Shock waves triggered by pulsations propagate through the atmosphere, compressing the gas and lifting it to cooler regions, which create favourable conditions for grain growth. If sufficient radiative acceleration is exerted on the newly formed grains through absorption or scattering of stellar photons, an outflow can be triggered. Strong candidates for wind-driving dust species in M-type AGB stars are magnesium silicates (Mg$_2$SiO$_4$ and MgSiO$_3$). Such grains can form close to the stellar surface, they consist of abundant materials and, if they grow to sizes comparable to the wavelength of the stellar flux maximum, they experience strong acceleration by photon scattering. We use a frequency-dependent radiation-hydrodynamics code with a detailed description for the growth of Mg$_2$SiO$_4$ grains to calculate the first extensive set of time-dependent wind models for M-type AGB stars. The resulting wind properties, visual and near-IR photometry and mid-IR spectra are compared with observations.We show that the models can produce outflows for a wide range of stellar parameters. We also demonstrate that they reproduce observed mass-loss rates and wind velocities, as well as visual and near-IR photometry. However, the current models do not show the characteristic silicate features at 10 and 18 $μ$m as a result of the cool temperature of Mg$_2$SiO$_4$ grains in the wind. Including a small amount of Fe in the grains further out in the circumstellar envelope will increase the grain temperature and result in pronounced silicate features, without significantly affecting the photometry in the visual and near-IR wavelength regions.

연구 동기 및 목표

• M형 AGB 항성에서 다양한 항성 파rameter 범위에 걸쳐 Mg2SiO4 먼지 입자에서의 광자 산산이 질량 유출을 일으킬 수 있는지 테스트하기 위해.
• 관측된 10 및 18 μm 실리케이트 특징과 모델 예측 간의 괴리, 즉 낮은 먼지 입자 온도로 인해 실리케이트 특징이 나타나지 않는 문제를 해결하기 위해.
• Mg2SiO4 기반 바람이 관측된 가시광선 및 근적외선 복사계수 변화를 잘 재현할 수 있는지, 이는 먼지 투과도가 아니라 분자 기반의 특징에 의해 주로 결정된다는 것을 확인하기 위해.
• 합성 및 관측 복사계수를 비교하여 철이 없는 마그네슘 실리케이트가 바람을 이끄는 데 실현 가능성이 있는지 평가하기 위해.
• 소량의 철 불순물이 먼지 입자 온도와 중간적외선 스펙트럼 특징에 미치는 영향을 탐색하면서도 가시광선 및 근적외선 복사계수에 영향을 주지 않는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 대기 및 바람을 시뮬레이션하기 위해 주파수 의존성 복사수열역학 코드를 사용하였다.
• 크기 진화와 波장 의존성 투과도를 고려한 Mg2SiO4 입자에 대한 세밀한 먼지 성장 모델을 통합하였다.
• 139개의 모델에서 항성 파rameter를 다양화: 5000, 7000, 10,000 L⊙의 빛의 세기, 2600 K에서 3200 K 사이의 효율 온도, 진동 진폭을 변화시켰다.
• 관측 결과와 비교하기 위해 합성 가시광선 및 근적외선 복사계수 및 중간적외선 스펙트럼을 계산하였다.
• Mg2SiO4 입자에 얇은 MgFeSiO4 막대를 첨가하여 입자 온도를 높이고 실리케이트 특징을 유도하는 효과를 시험하였다.
• 관측된 광도 곡선의 사인 피팅을 통해 합성 복사계수 변화와 관측 데이터를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mg2SiO4 먼지 입자에서의 광자 산산이 M형 AGB 항성에서 실제 질량 손실률과 바람 속도를 생성할 수 있는가?
• RQ2 현재 Mg2SiO4 기반 모델이 왜 AGB 항성에서 관측된 10 및 18 μm 실리케이트 특징을 재현하지 못하는가?
• RQ3 관측 복사계수 변화로부터 유추되는 대로, M형 AGB 항성의 원형주변 환경은 가시광선 및 근적외선 파장에서 얼마나 투명한가?
• RQ4 Mg2SiO4 입자에 소량의 철을 첨가하면 입자 온도와 중간적외선 스펙트럼 특징에 상당한 영향을 미치는가, 그러나 가시광선 및 근적외선 복사계수에는 영향을 주지 않는가?
• RQ5 세밀한 먼지 성장 모델을 포함한 시간에 따라 변화하는 복사수열역학 모델이 관측된 복사계수와 바람 역학을 동시에 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델들은 5000, 7000, 10,000 L⊙의 빛의 세기와 2600 K에서 3200 K 사이의 효율 온도를 포함한 광범위한 항성 파rameter 범위에서 유출을 성공적으로 생성하였다.
• 관측된 질량 손실률과 바람 속도는 Mg2SiO4 기반 바람 모델에 의해 잘 재현되었다.
• 합성 가시광선 및 근적외선 복사계수는 관측 결과와 일치하였으며, 이는 원형주변 환경이 이 파장에서 투명하다는 것을 시사하며, 분자 기반의 복사변화와 일치한다.
• 모델에서 10 및 18 μm 실리케이트 특징이 없는 것은 먼지 농도가 낮기 때문이 아니라, 바람 내에서 Mg2SiO4 입자의 온도가 낮기 때문이다.
• Mg2SiO4 입자에 얇은 MgFeSiO4 막대를 첨가하면 입자 온도가 충분히 상승하여 중간적외선에서 강한 실리케이트 특징을 생성할 수 있으며, 이는 가시광선 또는 근적외선 복사계수에 크게 영향을 주지 않는다.
• 결과는 철이 없는 Mg2SiO4 입자에서의 광자 산산이 실현 가능한 바람 이동 메커니즘임을 지지하며, 소량의 철 불순물이 중간적외선 스펙트럼의 관측 일치성을 가능하게 한다.