[논문 리뷰] The effect of radiation pressure on dust distribution inside HII regions

Shohei Ishiki, Takashi Okamoto외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 23.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 먼지 흡수, 재방출 및 입자 크기 해상도를 고려한 1차원 복사유체역학 시뮬레이션을 사용하여, 복사압이 밀집된 HII 영역에서 약 0.2 pc 크기의 먼지 공실을 유도함을 보여준다. 쿨롱 마찰력은 충돌 마찰력보다 두 개의 주기만큼 우세하며, 복사압은 입자 크기 분포를 변화시켜 큰입자 대 작은입자 질량 비율을 한 주기 감소시키며, 더 강한 복사원은 입자 충전 증가로 인해 세분화를 약화시킨다.

ABSTRACT

We investigate the impact of radiation pressure on spatial dust distribution inside H$_\mathrm{II}$ regions using one-dimensional radiation hydrodynamic simulations, which include absorption and re-emission of photons by dust. In order to investigate grain size effects as well, we introduce two additional fluid components describing large and small dust grains in the simulations. Relative velocity between dust and gas strongly depends on the drag force. We include collisional drag force and coulomb drag force. We find that, in a compact H$_\mathrm{II}$ region, a dust cavity region is formed by radiation pressure. Resulting dust cavity sizes (~0.2 pc) agree with observational estimates reasonably well. Since dust inside an H$_\mathrm{II}$ region is strongly charged, relative velocity between dust and gas is mainly determined by the coulomb drag force. Strength of the coulomb drag force is about 2-order of magnitude larger than that of the collisional drag force. In addition, in a cloud of mass $10^5$ $M_{\odot}$, we find that the radiation pressure changes the grain size distribution inside H$_\mathrm{II}$ regions. Since large (0.1 $\mathrm{\mu m}$) dust grains are accelerated more efficiently than small (0.01 $\mathrm{\mu m}$) grains, the large to small grain mass ratio becomes smaller by an order of magnitude compared with the initial one. Resulting dust size distributions depend on the luminosity of the radiation source. The large and small grain segregation becomes weaker when we assume stronger radiation source, since dust grain charges become larger under stronger radiation and hence coulomb drag force becomes stronger.

연구 동기 및 목표

• 복사압이 HII 영역 내 먼지 분포에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 복사압 하에서 먼지 운동에 있어 입자 크기 차이의 역할을 검토하는 것.
• 충돌 마찰력과 쿨롱 마찰력 간의 상대적 중요도를 먼지-기체 분리 현상에서 평가하는 것.
• 복사원의 빛의 세기 변화가 입자 크기 분리에 미치는 영향을 규명하는 것.

제안 방법

• 빛의 흡수 및 재방출을 고려한 1차원 복사유체역학 시뮬레이션.
• 큰(0.1 µm) 및 작은(0.01 µm) 먼지 입자를 나타내는 추가로 두 개의 유체 성분을 도입.
• 마찰력으로는 충돌 마찰력과 쿨롱 마찰력을 포함하며, 후자가 강한 먼지 충전으로 인해 지배적이다.
• 먼지 공실 형성과 입자 분포 변화 평가를 위해 10⁵ M☉ 구름을 시뮬레이션 모델로 사용.
• 복사압의 영향을 분석하기 위해 복사원의 빛의 세기를 다양하게 조절.
• 큰입자 대 작은입자 질량 비율의 변화를 정량화하기 위해 입자 크기 분포의 변화를 추적.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사압은 밀집된 HII 영역 내 먼지의 공간 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 충돌 마찰력과 쿨롱 마찰력 중 어느 것이 먼지-기체 분리에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ3 복사압은 HII 영역 내 입자 크기 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 중앙 이온화원의 빛의 세기는 입자 분리와 먼지 공실 형성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 복사압으로 인해 밀집된 HII 영역 내 약 0.2 pc 크기의 먼지 공실이 형성되며, 관측적 추정치와 일치한다.
• 쿨롱 마찰력은 충돌 마찰력보다 약 두 개 주기만큼 강력하여, 먼지-기체 상대속도를 지배한다.
• 10⁵ M☉ 구름에서 복사압 영향으로 큰입자 대 작은입자 질량 비율이 한 주기 감소한다.
• 더 강한 복사원은 높은 이온화로 인한 먼지 전하 증가로 인해 입자 크기 분리 효과를 약화시킨다.
• 복사압 작용 하에서 먼지 입자의 크기 분포가 크게 변화하며, 더 큰 입자가 더 효율적으로 가속화된다.
• 결과적으로 먼지 크기 분포는 중심 복사원의 빛의 세기에 따라 달라지며, 더 높은 세기에서는 분리 효과가 약화된다.