[论文解读] Dynamic atmospheres and winds of cool luminous giants, I. Al$_2$O$_3$ and silicate dust in the close vicinity of M-type AGB stars

S. Höfner, Sara Bladh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 67被引用 50

一句话总结

本研究利用时变辐射流体动力学模型，探究M型渐近巨支星（AGB stars）大气层与风中氧化铝（Al₂O₃）尘埃的形成过程。研究发现，Al₂O₃必须具有极高的透明度（在可见光/近红外波段的虚折射率k ≤ 10⁻³）才能抵御辐射加热的破坏；尽管其本身无法单独驱动风，但可作为硅酸盐包壳生长的种子，增强质量流失，并解释脉动周期中观测到的颜色变化。

ABSTRACT

High spatial resolution techniques have given valuable insights into the mass loss mechanism of AGB stars, which presumably involves a combination of atmospheric levitation by pulsation-induced shock waves and radiation pressure on dust. Observations indicate that Al$_2$O$_3$ condenses at distances of about 2 stellar radii or less, prior to the formation of silicates. Al$_2$O$_3$ grains are therefore prime candidates for producing the scattered light observed in the close vicinity of several M-type AGB stars, and they may be seed particles for the condensation of silicates at lower temperatures. We have constructed a new generation of Dynamic Atmosphere & Radiation-driven Wind models based on Implicit Numerics (DARWIN), including a time-dependent treatment of grain growth & evaporation for both Al$_2$O$_3$ and Fe-free silicates (Mg$_2$SiO$_4$). The equations describing these dust species are solved in the framework of a frequency-dependent radiation-hydrodynamical model for the atmosphere & wind structure, taking pulsation-induced shock waves and periodic luminosity variations into account. Condensation of Al$_2$O$_3$ at the close distances and in the high concentrations implied by observations requires high transparency of the grains in the visual and near-IR region to avoid destruction by radiative heating. For solar abundances, radiation pressure due to Al$_2$O$_3$ is too low to drive a wind. Nevertheless, this dust species may have indirect effects on mass loss. The formation of composite grains with an Al$_2$O$_3$ core and a silicate mantle can give grain growth a head start, increasing both mass loss rates and wind velocities. Furthermore, our experimental core-mantle grain models lead to variations of visual and near-IR colors during a pulsation cycle which are in excellent agreement with observations.

研究动机与目标

• 理解M型AGB星附近Al₂O₃凝结的条件，特别是其在风形成中的作用。
• 确定在靠近恒星、温度较高且距离约2个恒星半径的内风区域，Al₂O₃是否能抵御辐射加热而存活。
• 评估Al₂O₃作为硅酸盐尘埃形成种子的潜力，及其通过辐射压力间接增强质量流失的可能作用。
• 将观测到的近红外与可见光颜色变化与脉动驱动尘埃形成的理论模型相协调。

提出的方法

• 本研究采用新一代动态大气与辐射驱动风模型（DARWIN），对Al₂O₃和无铁硅酸盐（Mg₂SiO₄）的颗粒生长与蒸发过程进行时变处理。
• 模型求解包含脉动引起的激波和通过时变边界条件实现的周期性光度变化的频率依赖辐射流体动力学方程。
• 在辐射平衡条件下计算颗粒温度，即吸收与发射辐射达到平衡，利用频率平均矩计算尘埃消光截面与辐射温度。
• 采用特征线法求解Eddington因子与辐射转移，以闭合矩方程。
• 通过傅里叶级数设定径向速度与光度变化的边界条件，实现对脉动效应的灵活建模。
• 采用保守的二阶单调迎风格式与自适应网格，确保在密度与温度陡峭梯度区域的数值精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在距离M型AGB星约2个恒星半径处，Al₂O₃颗粒需具备何种透明度（虚折射率）才能抵御辐射加热而存活？
• RQ2 在太阳丰度条件下，仅靠Al₂O₃能否凭借其光学性质通过辐射压力驱动恒星风？
• RQ3 Al₂O₃核心与硅酸盐包壳形成的核-壳结构如何影响尘埃生长、质量流失率与风速？
• RQ4 核-壳结构的Al₂O₃/硅酸盐颗粒在多大程度上能再现脉动周期中观测到的视觉与近红外颜色变化？

主要发现

• Al₂O₃颗粒在可见光与近红外波段的虚折射率k必须 ≤ 10⁻³，才能避免被辐射加热破坏，该结果与宇宙丰度下铬等杂质的存在一致。
• 在太阳丰度条件下，纯Al₂O₃颗粒所受辐射压力过弱，无法驱动风，因此排除其作为主要风驱动机制的可能性。
• 具有Al₂O₃核心与无铁硅酸盐包壳的核-壳颗粒可增强尘埃生长，相比纯硅酸盐颗粒，显著提高质量流失率与风速。
• 复合型Al₂O₃/硅酸盐颗粒的形成导致视觉与近红外颜色随时间变化，与观测到的脉动周期内颜色变化相符。
• 观测到的M型AGB星内侧尘埃壳层最可能由Al₂O₃颗粒解释，其作为硅酸盐凝结的种子，并能有效散射恒星辐射。
• 模型证实Al₂O₃在≤2 R⋆距离处凝结，与光谱干涉观测一致，且在风加速区先于硅酸盐形成。