[논문 리뷰] Non-stoichiometric amorphous magnesium-iron silicates in circumstellar dust shells. Dust growth in outflows from supergiants

H. P. Gail, Akemi Tamanai외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 123인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 아홉 개인 거대한 초거성 항성 주위의 원형성 먼지 껍질에서의 적외선 복사를 모델링하여 산소가 풍부한 유동에서 먼지 성장의 특성을 조사한다. 관측된 스펙트럼을 사용하여, 비스토이키오메트릭인 비정질 마그네슘-철 페라이트 실리케이트(함께하여 알루미나와 금속성 철)가 데이터를 가장 잘 재현함을 발견하였다. 주요 결과로는, 실리케이트 먼지가 약 920 K에서 사전에 존재하는 코룬덤(알루미나) 씨앗에 응축되며, 응축면 근처의 유동 속도가 낮아 초음속이 아니며, 이는 하층부의 확산이 초음속이 아니며, 먼지 입자 성장에 대한 정량적 이해가 점차 가능해지고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the dust growth in oxygen-rich stellar outflows for a set of nine well-observed massive supergiants with optically thin dust shells. Models of the infrared emission from their circumstellar dust shells are compared to their observed infrared spectra so as to derive the essential parameters that govern dust formation in the extended envelope of these stars. The results obtained from the comparative study are also compared with the predictions of a model for silicate dust condensation solely based on laboratory data and basic stellar properties. The infrared emission in the wavelength range between 6 and 25 mu can be reproduced rather well by a mixture of non-stoichiometric iron-bearing silicates, alumina, and metallic iron dust particles for all nine objects. The observed spectra obtained from three objects, mu Cep, RW Cyg, and RS Per, can be reproduced by a stationary and (essentially) spherically symmetric outflow which enables a direct comparison with predictions from a theoretical dust growth model. The temperature at the onset of massive silicate dust growth is of the order of 920 K and the corresponding outflow velocity of the order of the sound velocity for these objects. The condensation temperature suggests that the silicate dust grows on the corundum dust grains that are formed well in the interior of the silicate dust shell at a much higher temperature. Our results propose that regarding the two major problems of dust formation in stellar outflows: (i) formation of seed nuclei; (ii) their growth to macroscopic dust grains, we are gradually coming close to a quantitative understanding of the second item.

연구 동기 및 목표

• 거대한 초거성 항성에서 발생하는 산소가 풍부한 유동 내의 물리적 조건과 먼지 조성을 이해하기 위해.
• 먼지 성장 모델이 관측된 중간 적외선 복사 스펙트럼을 정량적으로 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 실리케이트 먼지 형성의 시작 시점에서의 응축 온도와 유동 속도를 결정하기 위해.
• 예를 들어 알루미나와 같은 씨앗 핵의 역할과 즉각 응축 근사치의 타당성을 평가하기 위해.
• 현재 모델이 항성 유동에서 먼지 형성, 특히 입자 성장에 대해 얼마나 정량적으로 설명할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 관측된 중간 적외선 스펙트럼(6–25 µm)을 사용하여 아홉 대량 초거성 항성의 투명한 먼지 껍질을 관측적 제약 조건으로 활용함.
• 즉각 응축 근사치를 사용하여 구형 대칭, 정적인 유동에서의 먼지 복사를 계산하기 위해 복사 전달 모델을 적용함.
• 최근 실험실 측정을 통해 확보된 비스토이키오메트릭인 비정질 마그네슘-철 실리케이트의 광학 상수(오리볼트와 페록시틴 사이의 중간 성질)를 통합함.
• 모델 스펙트럼을 관측 스펙트럼에 맞추기 위해 비스토이키오메트릭 철 함유 실리케이트, 알루미나(Al2O3), 금속성 철의 혼합 먼지 성분을 사용함.
• 핵심 매개변수를 제약 조건으로 설정: 응축 온도, 먼지 질량, 입자 크기, 실리케이트 껍질 내부 가장자리에서의 유동 속도.
• 이중성계 α Sco의 우주선 흡수선에서의 탈성 비율과 같은 독립적인 관측 데이터와 결과를 비교 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투명한 먼지 껍질을 가진 거대한 초거성 항성의 관측된 중간 적외선 복사 스펙트럼을 가장 잘 재현하는 먼지 조성은 무엇인가?
• RQ2 실리케이트 먼지 응축은 어느 정도의 온도와 속도에서 시작되며, 이는 이론적 기대와 일치하는가?
• RQ3 즉각 응축 근사치는 이러한 유동에서 먼지 형성을 적절히 기술할 수 있는가, 특히 실리케이트 성장에 대해?
• RQ4 실리케이트 먼지가 사전 존재하는 알루미나 씨앗에 성장하는 증거가 있으며, 이는 먼지 형성의 순서에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 실리케이트 껍질 내부 가장자리에서의 물리적 조건(온도, 속도)은 유체역학적 기대와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 아홉 대량 초거성 항성의 관측된 적외선 스펙트럼(6–25 µm)은 비스토이키오메트릭 비정질 마그네슘-철 실리케이트, 알루미나, 금속성 철의 혼합으로 잘 재현됨.
• 세 개의 천체(µ Cep, RW Cyg, RS Per)에 대해 데이터는 즉각 응축 근사치 하에서 정적이고 구형 대칭 유동에 의해 가장 잘 맞음.
• 대규모 실리케이트 먼지 성장의 시작은 약 920 K에서 발생하며, 실리케이트의 기화 온도 이하임.
• 실리케이트 응축면에서의 유동 속도는 음속 수준이며, 내부 껍질 영역에서의 확산이 초음속이 아님을 시사함.
• 낮은 확산 속도는 실리케이트 껍질 내부 영역이 평균적으로 초음속 흐름을 이루고 있음을 시사하지만, 스펙트럼 선 폭으로부터 유도된 고속 초음속 난류와는 모순됨.
• 결과는 둘째로 중요한 먼지 형성 문제인 씨앗 핵에서 거대 입자로의 성장이 정량적으로 이해되고 있음을 시사하며, 특히 수소가 풍부한 환경에서 중성 종이 지배할 경우에 특히 그렇다.