[논문 리뷰] Formation and Evolution of the Dust in Galaxies. I. The Condensation Efficiencies

L. Piovan, C. Chiosi외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 관측치에 대응하는 이론 모델을 기반으로, AGB 별과 초신성에서 고융점 원소(C, O, Mg, Si, S, Ca, Fe)의 응축 효율에 관한 종합적인 데이터베이스를 제시한다. 이 데이터베이스를 통해 은하 화학진화 모델에서 먼지 수확량을 정확하게 추정할 수 있으며, 다양한 금속성과 은하간 매질 밀도에서 각 원소가 얼마나 먼지로 응축되는지를 정량화한다. CNT 근사법은 알려진 한계가 있음에도 불구하고 탄탄한 일치를 보이며 유의미하다.

ABSTRACT

The growing interest in the high-z universe, where strongly obscured objects are present, has determined an effort to improve the simulations of dust formation and evolution in galaxies. Three main basic ingredients enter the problem influencing the total dust budget and the mixture of the dust grains: the types and amounts of dust injected by AGB stars and SNae and the accretion/destruction processes of dust in the ISM. They govern the relative abundances of the gas and dust in the ISM. In this study, we focus on star-dust and present a database of condensation efficiencies for the refractory elements C, O, Mg, Si, S, Ca and Fe in AGB stars and SNae that can be easily applied to the gaseous ejecta, in order to determine the amount and kind of refractory elements locally embedded into dust and injected into the ISM. The best theoretical recipes available nowadays in literature to estimate the amount of dust produced by SNae and AGB stars have been discussed and for SNae compared to the observations to get clues on the problem. The condensation efficiencies have been analyzed in the context of a classical chemical model of dust formation and evolution in the Solar Neighbourhood and Galactic Disk. Tables of coefficients are presented for (i) AGB stars at varying the metallicity and (ii) SNae at varying the density n_H of the ISM where the SNa explosions took place. In particular, we show how the controversial CNT approximation widely adopted to form dust in SNae, still gives good results and agrees with some clues coming from the observations. A new generation of dust formation models in SNae is however required to solve some contradictions recently emerged. A simple database of condensation efficiencies is set up to be used in chemical models including the effect of dust and meant to simulate galaxies going from primordial proto-galaxies to those currently seen in the local universe.

연구 동기 및 목표

• 주요 고융점 원소의 응축 효율에 관한 신뢰성 있고 사용자 우수한 데이터베이스를 개발하기 위해.
• 업데이트된 이론적 조리법과 관측 제약 조건을 통합함으로써 은하 화학진화에서 먼지 형성 모델링의 정확도를 향상시키기 위해.
• 최근 관측 데이터를 바탕으로 널리 사용되는 CNT 근사법이 초신성에서 먼지 형성에 대해 여전히 타당한지 평가하기 위해.
• AGB 별의 경우 은하 금속성과 초신성의 경우 은하간 매질 밀도에 따라 먼지 수확량이 어떻게 달라지는지 정량화하기 위해.
• 초기 은하에서 현대 은하에 이르기까지 은하 내 먼지 진화 시뮬레이션을 지원하기 위해.

제안 방법

• Ferrarotti & Gail (2006)의 AGB 별에서 먼지 응축에 대한 이론 모델을 채택하였으며, 8개의 금속성(Z = 0.001에서 0.04까지)과 27개의 별 질량(1–7 M⊙)에 걸쳐 보간 및 외삽하였다.
• C/O 비율에 따라 먼지 형성 물질을 M-별(산화물), S-별(SiO₂, Fe), C-별(C, SiC, Fe)로 분류하였으며, 각각에 대해 별도의 화학 수확량 방정식을 설정하였다.
• CNT 근사법이 초신성 물질에서 먼지 응축에 대해 타당한지 확인하기 위해 관측 제약 조건에 기반한 초신성 먼지 형성 모델을 보정하였다.
• 질량 보존 방정식을 기반으로 분자 스토이히오메트리에 따라 원소의 질량 중 얼마나 많은 비율이 먼지로 응축되는지를 나타내는 응축 효율 δ를 유도하였다.
• 원소별 먼지 수확량 방정식(M_i(O), M_i(Si) 등)을 원자 질량 A와 먼지 종류의 분자 질량 A를 사용하여 수립하였다.
• 모든 원천 별에 대해 먼지 수확량을 계산할 수 있는 체계적인 프레임워크를 구축하여 은하 화학진화 모델에 통합 가능하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGB 별에서 다양한 금속성에서 핵심 고융점 원소(C, O, Mg, Si, S, Ca, Fe)의 응축 효율은 어떻게 되는가?
• RQ2 초신성의 먼지 수확량은 주변 은하간 매질의 밀도(n_H)에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 최근 관측 데이터를 고려할 때, 널리 사용되는 초신성 먼지 형성에 대한 CNT 근사법은 여전히 타당한가?
• RQ4 은하 환경에 따라 다양한 과정에서 먼지 응집과 파괴가 어떻게 균형을 이루며, 별에서의 먼지 공급이 이를 얼마나 보완할 수 있는가?
• RQ5 다단계 화학진화 모델에서 사용 가능한 표준화되고 모듈화된 응축 효율 데이터베이스를 어떻게 구축할 수 있는가?

주요 결과

• AGB 별의 응축 효율은 8개의 금속성(Z = 0.001에서 0.04까지)과 27개의 질량(1–7 M⊙)에 걸쳐 제공되어, 다양한 금속성을 가진 은하의 먼지 생성을 모델링할 수 있다.
• 초신성의 경우, 응축 효율은 은하간 매질 밀도(n_H)에 따라 크게 달라지며, 높은 밀도에서 더 높은 응축 효율을 보인다.
• CNT 근사법은 이론적 모순이 있음에도 불구하고 관측 데이터와 일관되며, 여전히 타당하다.
• 현재 초신성 먼지 모델에는 해결되지 않은 모순이 존재하며, 이는 새로운 세대의 먼지 형성 모델 개발이 필요함을 시사한다.
• 초기 은하에서 현대 은하에 이르기까지의 시스템에 적용 가능한 완전하고 모듈화된 응축 계수 데이터베이스가 구축되었다.
• 원소별 먼지 수확량 방정식이 유도되고 검증되었으며, 원소 농도와 분자 스토이히오메트리에 기반해 원천 별 먼지 질량 공급량을 정밀하게 계산할 수 있다.