[논문 리뷰] Dust cleansing of star-forming gas I: Did radiation from bright stars affect the chemical composition of the Sun and of M67?

B. Gustafsson|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 68인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 빛나는 초기형 항성에서 오는 복사가 복사력에 의해 원시 태양 및 원시 M67 성운의 먼지를 청소할 수 있었는지 조사한다. 이는 비휘류 성분 농도를 높이는 데 기여한다. 운동량 보존 기반의 반분석 모델을 사용하여, 먼지 청소는 H II 영역 주변의 얇은 껍질에 국한되어 있음을 발견하였고, 이는 M67이나 태양에서 관측된 농도 비정상성의 원인으로 충분하지 않음을 의미한다. 난류와 기하학적 제약이 존재하기 때문이다.

ABSTRACT

The possibility that the solar chemical composition, as well as the similar composition of the rich open cluster M67, have been affected by dust cleansing of the pre-solar/pre-cluster cloud, due to the radiative forces from bright early-type stars in its neighbourhood, is explored. Estimates, using semi-analytical methods and essentially based on momentum conservation, are made of possible dust-cleansing effects. Our calculations indicate that the amounts of cleansed neutral gas are limited to a relatively thin shell surrounding the HII region around the early-type stars. It seems possible that the proposed mechanism acting in individual giant molecular clouds may produce significant abundance effects for masses corresponding to single stars or small groups of stars. The effects of cleansing are, however, severely constrained by the thinness of the cleansed shell of gas and by turbulence in the cloud, why the mechanism can hardly be important in cleansing masses corresponding to rich clusters, such as the mass of the original M67.

연구 동기 및 목표

• 근처의 초기형 항성이 복사압을 통해 먼지를 제거함으로써 원시 태양과 M67의 화학 조성을 변화시킬 수 있는지 평가하기.
• 관측된 태양의 농도 비정상성(비휘류 성분은 높고, 내화성 성분은 낮음)을 설명하기 위해 먼지 청소가 타당한가 평가하기.
• 풍부한 열린 성운 M67에서 관측된 유사한 농도 패턴을 설명하기 위해 이 메커니즘이 작동할 수 있는지 테스트하기. 이 성운은 약 20,000개의 별을 포함한다.
• 별 형성 성운에서 이 메커니즘에 의해 청소될 수 있는 기체 질량의 상한선을 설정하기.
• M67과 태양에서 관측된 농도 비정상성이 은하 화학 진화나 행성 형성 과정이 아닌 국소적 먼지 청소에서 기인할 수 있는지 여부를 판단하기.

제안 방법

• 중앙에 빛나는 별이 있는 균일하고 밀도가 높으며 먼지가 포함된 분자 성운의 반분석 모델을 사용하여 복사로 인한 먼지 운동을 시뮬레이션한다.
• 운동량 보존 원리를 적용하여 복사가 먼지 입자에 가하는 힘과 그로 인한 기체 저항력의 크기를 추정한다.
• 마찰력에 의한 먼지-기체 결합을 모델링하여, 먼지 운동이 주변 기체를 끌고 가며 기체의 외부 유동을 유도하는 과정을 추적한다.
• H II 영역의 역학과 복사압으로 인해 먼지가 제거된 얇은 외곽 껍질이 형성되는 과정을 고려한다.
• 난류나 불안정성이 없고 이상적인 조건을 가정할 때 청소될 수 있는 기체 최대 질량을 추정한다.
• 예측된 먼지 청소 효율성을 태양과 M67에서 관측된 농도 비정상성과 비교하여 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근처의 초기형 항성이 복사압을 통해 태양에서 관측된 내화성 성분의 농도 감소와 비휘류 성분의 농도 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ2 M67이 형성된 것과 유사한 질량이 크고 밀도가 높은 성운에서 복사압에 의한 먼지 청소가 화학 조성에 얼마나 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ3 질량이 큰 항성이 복사력으로 효과적으로 먼지가 제거된 기체 영역의 두께와 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 난류, 충격파, 불안정성은 실제 은하간 환경에서 먼지 청소 효율성에 어떤 제약을 끼치는가?
• RQ5 M67에서 관측된 농도 패턴은 자체의 초기 대질량 항성에 의한 자가 청소와 일치하는가, 아니면 다른 설명이 고려되어야 하는가?

주요 결과

• 초기형 항성이 복사압을 통해 먼지 청소를 하는 것은, 먼지 입자가 빠르게 감속되고 기체 저항력이 강하기 때문에 H II 영역 주변의 얇은 껍질에 국한된다.
• 청소될 수 있는 기체의 최대 질량은 M67의 농도 비정상성을 설명하기에 부족하며, 이는 클러스터의 원래 기체 저축과 비슷한 질량이 청소되어야 함을 의미한다.
• 성운 내 난류는 효과적인 청소에 필요한 속도에 비해 먼지-기체 이격 속도를 수십 배 이상 감소시켜 이 메커니즘의 효율성을 심각하게 저하시킨다.
• 조금이라도 이상적인 조건을 가정하더라도 모델은 관측된 태양과 M67의 농도 패턴을 일치시키기 위해 필요한 청소의 일부분만 예측한다.
• 이 메커니즘은 M67처럼 거대한 클러스터보다는 원시 태양 성운과 같은 소규모 체계에서 더 타당성이 있다.
• M67에서 태양 유사 농도 비정상성이 관측된다는 사실은 먼지 청소 가설을 지지하지 않으며, 이 메커니즘이 필요한 기체 청소 질량을 설명할 수 없기 때문이다.