[论文解读] Dust Formation in the Presence of Photons I: Evaporation Rates for Small Dust Grains

C. S. Kochanek|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文建立了小尘埃颗粒在辐射场中蒸发速率的解析模型，表明光子的随机加热（尤其是紫外光子）远超过碰撞冷却，使尘埃形成对辐射场的硬度极为敏感。推导了碳质与硅酸盐颗粒的有效蒸发温度插值公式，揭示只有G型和F型恒星能在高紫外通量下形成尘埃，解释了OH/IR星和LBV星中尘埃的周期性形成现象，其成因并非质量损失变化，而是表观温度的变化。

ABSTRACT

The temperature of newly forming dust is controlled by the radiation field. As dust forms around stars, stellar transients, quasars or supernovae, the grains must grow through a regime where they are stochastically heated by individual photons. Since evaporation rates increase exponentially with temperature while cooling times decrease only as a power law, the evaporation rates for these small grains are dominated by the temperature spikes. We calculate effective evaporation temperatures for a broad range of input spectra that are encapsulated in a series of simple interpolation formulae for both graphitic and silicate grains. These can be easily used to first determine if dust formation is possible and then to estimate the radius or time at which it commences for a broad range of radiation environments. With these additional physical effects, very small grains may form earlier than in standard models of AGB winds. Even for very high mass loss rates, the hottest stars that can form dust are G and F stars particularly in the case of silicate dusts. For hotter stars, the higher fluxes of ultraviolet photons prevent dust formation. Thus, episodic dust formation by OH/IR stars and LBVs is primarily driven by fluctuations in their apparent temperatures rather than changes in luminosity or mass loss rates.

研究动机与目标

• 量化光子随机加热如何控制小尘埃颗粒在形成过程中的蒸发速率。
• 确定在以紫外光子为主导的辐射场中，尘埃形成所需的条件，特别是围绕热恒星的情况。
• 解释LBV星和OH/IR星等恒星中尘埃形成的周期性特征，不通过质量损失或光度变化，而是通过温度波动来解释。
• 提供适用于多种天体物理辐射环境的、基于插值的实用有效蒸发温度公式。

提出的方法

• 利用辐射转移和颗粒热平衡模型，模拟单个光子对小颗粒（N ≈ 10–100个粒子）的随机加热。
• 基于方程24，推导有效蒸发温度作为颗粒大小（N）、黑体温度（T_bb）和辐射温度（T_*）的函数。
• 应用振动模式的量子力学模型估算蒸发能量和蒸发速率，考虑其对温度的指数依赖性。
• 比较颗粒冷却时间（幂律形式）与蒸发速率（温度的指数函数），表明在短暂的热脉冲期间蒸发占主导。
• 为碳质和硅酸盐颗粒开发插值公式，以估算在不同辐射环境中尘埃形成可能发生的条件。
• 通过AGB星、超新星、类星体和恒星暂现源等已知天体物理系统进行验证，其辐射谱各不相同。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低密度、高温辐射场中，光子随机加热事件如何影响小尘埃颗粒的蒸发速率？
• RQ2 小尘埃颗粒在不同辐射谱照射下的有效蒸发温度是多少？如何为天体物理模型参数化这一温度？
• RQ3 为何热恒星（B型）尽管质量损失率高，却无法形成尘埃？紫外辐射在此过程中起什么作用？
• RQ4 由于瞬态加热事件，正在形成尘埃颗粒的表观温度与气体温度有何不同？
• RQ5 LBV星和OH/IR星中周期性尘埃形成是否可由辐射场有效温度的变化来解释，而非光度或质量损失的变化？

主要发现

• 在低密度环境中，紫外光子的随机加热远超过碰撞冷却，使蒸发速率对瞬态温度峰值呈指数敏感。
• 小颗粒的有效蒸发温度强烈依赖于辐射场的硬度，T_*越高，尘埃形成越迅速被抑制。
• 只有G型和F型恒星能在高紫外环境中形成尘埃；B型恒星即使在高质损率下也无法形成尘埃，因其紫外通量过强。
• 对于硅酸盐尘埃，蒸发阈值较低，使其对辐射硬度的敏感性高于碳质尘埃。
• OH/IR星和LBV星中周期性尘埃形成主要由恒星表观温度的变化驱动，而非光度或质量损失率的变化。
• 类星体喷流中T_* ≈ 25,000 K（即使经过紫外截止）的强随机加热，使尘埃形成极不可能，与观测中缺乏PAH特征一致。