[논문 리뷰] Tracing the phase transition of Al-bearing species from molecules to dust in AGB winds. Constraining the presence of gas-phase (Al2O3)n clusters

L. Decin, A. M. S. Richards외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 18.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 산소가 풍부한 AGB 항성에서 알루미늄 함유 기체 상 종류를 추적하고, 먼지 형성 조건을 제약하기 위해 R Dor과 IK Tau의 ALMA 관측을 사용한다. 그 결과, 알루미늄의 약 2%만 AlO, AlOH, AlCl에 존재하는 것으로 나타나, 큰 기체 상 (Al₂O₃)ₙ 클러스터(여기서 n > 34)가 SED에서 넓은 11 µm 특징을 지닌 것으로 보이며, 이는 현재의 알루미나 응축 효율 모델에 도전한다.

ABSTRACT

(abbreviated) We aim to constrain the dust formation histories in the winds of oxygen-rich AGB stars. We have obtained ALMA observations with a spatial resolution of 120x150 mas tracing the dust formation region of a low mass-loss rate and a high mass-loss rate AGB star, R Dor and IK Tau. Emission line profiles of AlO, AlOH and AlCl are detected and are used to derive a lower limit of atomic aluminium incorporated in molecules. We show that the gas-phase aluminium chemistry is completely different in both stars, with a remarkable difference in the AlO and AlOH abundance stratification. The amount of aluminium locked up in these 3 molecules is small, <=1.1e-7, for both stars, i.e. only <=2% of the total aluminium budget. This leaves ample of room for aluminium to be incorporated in grains. A fundamental result is that AlO and AlOH, being the direct precursors of alumina grains, are detected well beyond the onset of the dust condensation proving that the aluminium oxide condensation cycle is not fully efficient. The ALMA observations allow us to quantitatively assess the current generation of theoretical dynamical-chemical models for AGB winds. We discuss how the current proposed scenario of aluminium dust condensation for low mass-loss rate AGB stars at a distance of ~1.5 Rstar, in particular for the stars R Dor and W Hya, poses a challenge if one wishes to explain both the dust spectral features in the spectral energy distribution (SED), in interferometric data, and in polarized light signal. In particular, the estimated grain temperature of Al2O3 is too high for the grains to retain their amorphous structure. We propose that large gas-phase (Al2O3)n-clusters (n>34) can be the potential agents of the broad 11 micron feature in the SED and in the interferometric data and we explain how these large clusters can be formed.

연구 동기 및 목표

• 산소가 풍부한 AGB 항성에서 알루미늄 함유 종의 기체에서 먼지로의 상 전이를 제약한다.
• 알루미나(Al₂O₃) 응축의 효율성을 먼지 씨앗 형성 경로로 평가한다.
• 현재의 동역학-화학 모델이 ALMA 관측을 통한 분자 선형 프로파일과 일치하는지 평가한다.
• 저질량 손실률을 보이는 산소가 풍부한 AGB 항성의 SED에서 넓은 11 µm 특징의 기원을 설명한다.
• 기체 상 (Al₂O₃)ₙ 클러스터가 11 µm 특징을 지닌다는 것과 그들이 풍속 환경에서 형성될 가능성에 대해 평가한다.

제안 방법

• R Dor과 IK Tau의 내부 풍속 영역을 맵핑하기 위해 120×150 mas의 고공간 해상도 ALMA 관측을 확보하였다.
• 기체 상 종인 AlO, AlOH, AlCl의 복사선 프로파일을 검출하고 분석하여 기체 분자에 있는 원자 알루미늄의 하한선을 유도하였다.
• 복사전달 모델링을 적용하여 두 항성에서 알루미늄 함유 종의 분수 농도를 제약하였다.
• 관측된 분자 농도를 사용하여 먼지 응축에 이용 가능한 알루미늄 비율을 추정하였다.
• 관측 제약 조건과 비교하여 AGB 풍속 화학 및 먼지 형성 이론 모델을 평가하였다.
• 그들의 잠재적 복사 및 구조적 성질을 바탕으로 큰 (Al₂O₃)ₙ 클러스터(n > 34)가 넓은 11 µm SED 특징을 설명할 수 있을 것이라 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R Dor과 IK Tau의 내부 풍속에서 AlO, AlOH, AlCl에 고착된 알루미늄 비율은 얼마인가?
• RQ2 산소가 풍부한 AGB 풍속에서 기체 상 전구체로부터 Al₂O₃의 응축 효율은 얼마나 되는가?
• RQ3 저질량 손실률을 보이는 산소가 풍부한 AGB 항성의 SED에서 11 µm 특징이 넓고, 표준 비정질 Al₂O₃ 입자로 잘 설명되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ4 큰 기체 상 (Al₂O₃)ₙ 클러스터(n > 34)가 관측된 11 µm 특징을 설명할 수 있고, 풍속 환경에서 안정적으로 유지될 수 있는가?
• RQ5 R Dor과 IK Tau에서 관측된 분자 농도 분포는 현재의 AGB 풍속 화학 이론 모델에 어떤 도전을 가하는가?

주요 결과

• R Dor과 IK Tau에서 AlO, AlOH, AlCl의 병합 농도는 ≤ 1.1 × 10⁻⁷이며, 총 알루미늄 예산의 ≤ 2%에 해당한다.
• AlO와 AlOH는 먼지 응축 반경을 초월해 검출되었으며, 이는 알루미나 응축 사이클이 완전히 효율적이지 않음을 시사한다.
• 비정질 Al₂O₃ 입자의 추정된 입자 온도가 너무 높아 비정질 구조를 유지하기 어려워, 표준 모델에서 Al₂O₃가 주요 먼지 씨앗으로 작용한다는 것을 도전한다.
• 큰 기체 상 (Al₂O₃)ₙ 클러스터(n > 34)는 SED와 간섭계 데이터에서 넓은 11 µm 특징의 운반체로 제안된다.
• R Dor과 IK Tau에서 관측된 화학 조성이 상당히 다름을 보이며, 저질량 손실률과 고질량 손실률 AGB 항성에서 다른 화학 경로가 존재함을 시사한다.
• ALMA 관측은 AGB 풍속 화학 및 먼지 형성 이론적 동역학-화학 모델의 테스트와 개선에 강력한 진단 도구를 제공한다.