[논문 리뷰] Three-component modeling of C-rich AGB star winds I. Method and first results

C. Sandín, S. Höfner|ArXiv.org|2002. 11. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 24인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 C-rich AGB 별의 풍속을 위한 새로운 3성분 시간에 의존하는 유체역학 모델을 제시한다. 이 모델은 기체, 먼지, 복사의 세 가지 상을 별개의 상으로 간주하고 각각의 보존 법칙을 적용한다. 먼지에 대해 독립적인 운동 방정식과 물리적으로 타당한 마찰력 항을 도입함으로써, 먼지 이동이 풍속 형성의 임계 조건을 높이고 저질량 손실률을 가진 풍속을 억제함을 드러내어 이전의 기체-먼지 완전 결합 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Radiative acceleration of newly-formed dust grains and transfer of momentum from the dust to the gas plays an important role for driving winds of AGB stars. Therefore a detailed description of the interaction of gas and dust is a prerequisite for realistic models of such winds. In this paper we present the method and first results of a three-component time-dependent model of dust-driven AGB star winds. With the model we plan to study the role and effects of the gas-dust interaction on the mass loss and wind formation. The wind model includes separate conservation laws for each of the three components of gas, dust and the radiation field and is developed from an existing model which assumes position coupling between the gas and the dust. As a new feature we introduce a separate equation of motion for the dust component in order to fully separate the dust phase from the gas phase. The transfer of mass, energy and momentum between the phases is treated by interaction terms. We also carry out a detailed study of the physical form and influence of the momentum transfer term (the drag force) and three approximations to it. In the present study we are interested mainly in the effect of the new treatment of the dust velocity on dust-induced instabilities in the wind. As we want to study the consequences of the additional freedom of the dust velocity on the model we calculate winds both with and without the separate dust equation of motion. The wind models are calculated for several sets of stellar parameters. We find that there is a higher threshold in the carbon/oxygen abundance ratio at which winds form in the new model. The winds of the new models, which include drift, differ from the previously stationary winds, and the winds with the lowest mass loss rates no longer form.

연구 동기 및 목표

• 기체, 먼지, 복사의 세 성분을 별개의 성분으로 간주하고 독립적인 역학을 갖는 물리적으로 일관된 시간에 의존하는 C-rich AGB 별 풍속 모델을 개발한다.
• 기존의 위치 결합 또는 완전 운동량 결합 모델을 넘어서, 먼지에 대해 별도의 운동 방정식을 도입함으로써 기체에서 먼지를 분리하는 영향을 조사한다.
• 운동량 이행 방식에 따른 마찰력의 형태와 처리 방법이 풍속 안정성, 질량 손실, 풍속 형성 임계 조건에 미치는 영향을 검토한다.
• 확장된 AGB 대기에서 먼지 유도 불안정성과 연속체 및 자유분자 흐름 근사의 물리적 타당성을 평가한다.
• 풍속 모델의 물리적 현실성을 향상시켜 AGB 별의 질량 손실률과 스펙트럼 에너지 분포를 향상된 정확도로 추정할 수 있는 기초를 제공한다.

제안 방법

• 기체, 먼지, 복사의 각 필드에 대해 질량, 운동량, 에너지의 별개 보존 방정식을 사용하여 각 성분의 독립적 진화를 가능하게 한다.
• 기체-먼지 충돌 기반의 새로운 마찰력 항을 유도하였으며, 운동량 이행 공식의 민감도를 평가하기 위해 세 가지 근사치를 시험하였다.
• 복사장은 복사 가속을 통해 먼지와 결합되며, 먼지 입자가 복사로부터 운동량을 얻고 마찰력에 의해 이를 기체로 전달한다.
• 비선형적인 성분 간 결합을 다룰 수 있고 일시적인 행동을 허용할 수 있도록, 음성 시간 적분을 사용한 시간에 의존하는 유체역학적 접근을 사용한다.
• 기체의 연속체 근사와 먼지의 자유분자 영역의 타당성을 검증하기 위해 쿤델센 수를 계산한다. 이는 마찰력 유도의 타당성을 보장한다.
• 여러 성분의 항성 파라미터 조합에 모델을 적용하여, 별도의 먼지 운동 방정식 유무를 비교함으로써 먼지 이동의 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지에 대해 별도의 운동 방정식을 도입함으로써 AGB 풍속의 형성 임계 조건은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 먼지 이동은 특히 저질량 손실률 영역에서 AGB 풍속의 안정성과 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 마찰력에 대한 다양한 근사치는 풍속 역학과 질량 손실률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 확장된 AGB 별 대기에서 연속체 기체 흐름과 자유분자 먼지 흐름의 가정은 어느 정도 타당한가?
• RQ5 새로운 모델은 추가적인 수단 없이도 관측된 풍속 특성, 예를 들어 일시적인 질량 손실이나 층 구조를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 독립적인 먼지 역학을 고려한 새로운 모델은 이전 모델보다 풍속 형성에 필요한 탄소 대 산소 농도 비율의 임계 조건이 더 높게 나타났다.
• 먼지 이동을 포함한 새로운 모델의 풍속은 이전에 가정된 정적 풍속과 크게 다름을 보이며, 특히 역학적 구조와 안정성에서 뚜렷한 차이를 보였다.
• 이전에는 가능하다고 여겨졌던 최저 질량 손실률 풍속은 더 이상 새로운 모델에서 형성되지 않아, 기체와 먼지의 분리로 인해 약한 외출이 억제됨을 시사한다.
• 쿤델센 수 분석을 통해 기체는 모델링된 대기 전역에서 연속체 영역($\mathcal{K}_n \ll 1$)에 있으며, 이는 기체에 대한 연속체 유체역학의 사용이 타당함을 확인한다.
• 먼지의 기체에 대한 자유분자 영역($\mathcal{K}'_{n,d} \gtrsim 10^{10}$)에 있음을 확인하여, 자유분자 기체-먼지 충돌 기반으로 유도된 마찰력 표현식의 사용이 타당함을 뒷받침한다.
• 기체와 먼지 간 완전 운동량 또는 위치 결합을 가정하는 것은 특히 저질량 손실률에서 풍속 형성 잠재력을 과대평가한다는 것이 결과적으로 드러났다.