[논문 리뷰] Survival of icy grains in debris discs. The role of photosputtering

A. N. Grigorieva, P. Thébault외 2명|ArXiv.org|2007. 09. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 42인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 태양계 외부의 빛을 띤 먼지 입자들이 증발 이외의 메커니즘으로 파괴되는 것을 조사한다. 특히 자외선(UV) 광스퍼터링이 빛을 띤 먼지 입자들을 파괴하는 주요 메커니즘으로 작용함을 밝혀낸다. 입자 부식, 천체 운동, 항성 복사의 상호작용을 고려한 세밀한 모델을 사용하여, β Pictoris와 같은 시스템에서는 오직 밀리미터 크기의 입자만이 시스템 수명 동안 얼음을 유지할 수 있으며, 그마저도 광스퍼터링에 의한 기체 생성량이 관측 한계를 초과하여 대부분의 데브리 디스크에서 뚜렷한 얼음 입자 집합체가 존재할 수 없음을 규명한다. 유일한 예외는 M형 항성 주위일 수 있다.

ABSTRACT

We put theoretical constraints on the presence and survival of icy grains in debris discs. Particular attention is paid to UV sputtering of water ice, which has so far not been studied in detail in this context. We present a photosputtering model based on available experimental and theoretical studies. We quantitatively estimate the erosion rate of icy and ice-silicate grains, under the influence of both sublimation and photosputtering, as a function of grain size, composition and distance from the star. The effect of erosion on the grain's location is investigated through numerical simulations coupling the grain size to its dynamical evolution. Our model predicts that photodesorption efficiently destroy ice in optically thin discs, even far beyond the sublimation snow line. For the reference case of beta Pictoris, we find that only > 5mm grains can keep their icy component for the age of the system in the 50-150AU region. When taking into account the collisional reprocessing of grains, we show that the water ice survival on grains improves (grains down to ~ 20 um might be partially icy). However, estimates of the amount of gas photosputtering would produce on such a hypothetical population of big icy grains lead to values for the OI column density that strongly exceed observational constraints for beta Pic, thus ruling out the presence of a significant amount of icy grains in this system. Erosion rates and icy grains survival timescales are also given for a set of 11 other debris disc systems. We show that, with the possible exception of M stars, photosputtering cannot be neglected in calculations of icy grain lifetimes.

연구 동기 및 목표

• 서브리메이션 효과를 초월하여 데브리 디스크에서 얼음 입자가 생존 가능한지 평가하며, 특히 과거에 간과되었던 광스퍼터링이라는 부식 메커니즘에 초점을 맞춘다.
• 입자 크기, 조성, 항성으로부터의 거리에 따라 광스퍼터링과 증발에 의한 부식 속도를 정량화한다.
• 입자 운동학적 진화와 충돌 재처리가 데브리 디스크 환경에서 얼음 입자의 생존 수명에 미치는 영향을 조사한다.
• 관측된 데브리 디스크에서 얼음 입자 집합체 존재 가설을 기체 농도 제약, 특히 O I 농도 농도에 기반해 검증한다.
• 특히 G, K, F, A형 항성에서 광스퍼터링의 중요성을 평가한다.

제안 방법

• 최근 실험 및 이론적 자료를 바탕으로 한 자외선 유도 얼음 및 얼음-규소 혼합물의 부식 모델을 개발하였다.
• 광스퍼터링과 증발 효과를 결합하여 입자 크기, 조성, 항성으로부터의 궤도 거리에 따른 총 부식 속도를 계산하였다.
• 입자 크기 진화와 궤도 역학을 결합한 수치 시뮬레이션을 수행하여, 부식이 디스크 내 입자 위치와 생존에 미치는 영향을 추적하였다.
• β Pictoris의 기준 모델을 사용하여 부식 임계값과 생존 수명을 추정하고, 이를 11개의 다른 데브리 디스크 시스템으로 확장하였다.
• 항성 복사 강도의 제곱에 비례하는 거리에 따른 비율 조정을 통해 결과를 다양한 디스크 반경에 일반화하였다.
• 광스퍼터링에 의한 기체 생성량(특히 O I)을 평가하고 관측 상한선과 비교하여 얼음 입자 집합체의 가능성 여부를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광스퍼터링 효과로 인해 서브리메이션 눈선을 초월한 데브리 디스크에서 얼음 입자가 생존할 수 있는가?
• RQ2 일반적인 데브리 디스크 시스템 수명 동안 얼음 성분을 유지할 수 있는 최소 입자 크기는 얼마인가?
• RQ3 충돌 재처리가 데브리 디스크에서 더 작은 얼음 입자의 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 β Pictoris와 같은 시스템에서 광스퍼터링에 의한 기체 생성량이 관측 제약을 얼마나 초과하는가?
• RQ5 다양한 항성 유형에서 부식 수명이 어떻게 달라지는가? 특히 M형 항성과 더 밝은 F/A/G/K형 항성 간의 비교

주요 결과

• β Pictoris 시스템에서, 50–150 AU 영역에서 시스템 수명(12 Myr) 동안 얼음 성분을 유지할 수 있는 것은 약 5 mm 이상의 입자뿐이다. 이는 강력한 광스퍼터링 때문이기 때문이다.
• 충돌 재처리가 존재하더라도, 약 20 μm 크기의 얼음 입자 집합체를 유지할 수는 있으나, 그로 인한 O I 기체 생성량은 관측 상한선을 수 개의 주기수준으로 초과한다.
• F형 및 더 뜨거운 항성 주위에서 20 μm 크기의 입자에 대한 광스퍼터링 부식 수명은 10^7년 미만이며, 일반적인 데브리 디스크 시스템에서의 생존을 배제한다.
• 밀리미터 크기의 얼음 입자는 오직 G, K, M형 항성 주위에서 1 Gyr 이상 생존할 수 있으며, F형 및 더 뜨거운 항성 주위에서는 약 1–2 × 10^7년으로 제한된다.
• M형 항성인 AU Mic는 광스퍼터링 부식 수명(~50 Myr)이 시스템 수명(12 Myr)을 초과하여, 유일하게 광스퍼터링 영향을 간과할 수 있는 시스템으로 보인다.
• M형 항성의 경우를 제외하고는, 데브리 디스크에서 얼음 입자 수명 모델링에서 광스퍼터링 효과를 간과할 수 없다.