[论文解读] Dust driven mass loss from carbon stars as function of stellar parameters - II. Effects of grain size on wind properties

Lars Mattsson, S. Höfner|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 14被引用 23

一句话总结

本研究利用超越小粒子极限（SPL）的广义尘埃消光系数计算，在辐射流体动力学模型中研究了碳-rich AGB恒星中尘埃粒径对尘埃驱动质量损失的影响。结果表明，在临界、接近临界阈值的模型中，SPL近似显著低估了质量损失率和风速；而在充分发展的喷流中，由于尘埃生长与辐射加速度之间的自调节反馈机制，其影响较小。

ABSTRACT

[Abridged] In this paper we explore grain size effects on wind properties of carbon stars, using a generalized description of radiative cross sections valid for particles of arbitrary sizes. The purpose of the study is to investigate under which circumstances the small particle limit (SPL) may give acceptable results, and to quantify the possible errors that may occur when it does not hold. The time-dependent description of grain growth in our detailed radiation-hydrodynamical models gives information about dust particle radii in every layer at every instant of time. These grain radii are used for computing opacities and determining the radiative acceleration of the dust-gas mixture. It is shown that in the critical cases the effect of the generalized description of dust opacities can be significant, resulting in more intense mass loss and higher wind velocities compared to models using SPL opacities. For well-developed winds, however, grain size effects on mass loss rates and wind velocities are found to be small. Both groups of models tend towards lower degrees of dust condensation compared to corresponding SPL models, due to a self-regulating feedback between grain growth and radiative acceleration. Consequently, the "dust-loss rates" are lower in the models with the generalized treatment of grain opacities. We conclude that our previous results on mass loss rates obtained with SPL opacities are reliable within a wide region of stellar parameter space, except for critical cases close to thresholds of dust-driven outflows where SPL models will tend to underestimate the mass loss rates and wind velocities.

研究动机与目标

• 评估小粒子极限（SPL）在模拟碳星尘埃驱动风中的有效性。
• 量化当尘埃粒径与恒星辐射波长相当接近时，SPL近似引入的误差。
• 研究尘埃生长如何在时变、辐射流体动力学模型中影响辐射加速度与风的性质。
• 在不同恒星参数区域比较使用广义尘埃消光系数与SPL近似模型的差异。
• 确定SPL模型在何种条件下能可靠预测质量损失率与风速。

提出的方法

• 采用包含非平衡尘埃形成与尘埃生长的时变辐射流体动力学模型。
• 使用适用于任意粒径的广义Mie理论计算尘埃消光系数，取代标准的小粒子极限（SPL）。
• 从时变尘埃生长模拟中提取粒径，以在每个空间和时间点提供消光系数与辐射加速度计算的依据。
• 比较使用SPL与广义消光系数模型的风特性——包括质量损失率、终端速度、尘气比与凝结分数。
• 分析两组模型：充分发展的喷流与接近风形成临界阈值的临界情况。
• 应用频率依赖的辐射转移，结合气体与尘埃消光系数，与流体动力学及尘埃成核/生长过程耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 与使用小粒子极限（SPL）的预测相比，尘埃粒径效应如何改变碳星的质量损失率与风速？
• RQ2 在恒星参数空间的哪些区域，SPL近似不适用于模拟尘埃驱动风？
• RQ3 尘埃生长与辐射加速度之间的自调节反馈在决定风的性质中起什么作用？
• RQ4 使用SPL与广义消光系数处理的模型之间，尘埃凝结分数有何差异？
• RQ5 SPL模型在临界、接近阈值的情况下，对质量损失率与风速的低估程度有多大？

主要发现

• 在接近尘埃驱动风形成临界阈值的临界情况下，使用广义消光系数的模型相比SPL模型，其质量损失率与风速显著更高。
• 在充分发展的喷流中，尘埃粒径对质量损失率与风速的影响较小，表明SPL模型在此参数区间仍具可靠性。
• SPL与广义模型均显示尘埃凝结分数低于早期假设，这是由于尘埃生长与辐射加速度之间的自调节反馈所致。
• 由于尘埃凝结减少，使用广义消光系数的模型中‘尘埃损失率’（单位时间内损失的尘埃质量）较低。
• SPL近似在临界情况下对质量损失率与风速的低估可达数个数量级，尤其在低光度与高有效温度的模型中更为显著。
• 本研究证实，先前基于SPL消光系数的研究结果在恒星参数空间的大部分区域仍具鲁棒性，仅在风形成临界阈值附近失效。