[论文解读] Photodissociation in proto-planetary nebulae. Hydrodynamical simulations and solutions for low-velocity multi-lobes

Guillermo Garcı́a-Segura|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文提出，后-AGB恒星（有效温度约7,000 K）发出的紫外辐射对包层气体的光致离解，驱动了原行星状星云中多极叶状结构的形成。通过使用ZEUS-3D代码进行的二维流体动力学模拟，结果表明，早期离解前缘的膨胀以及由此产生的D型离解激波（D-S）前缘不稳定性——类似于Vishniac薄壳不稳定性——导致具有幂律密度分布（例如，r⁻²）的壳层发生破碎，从而在无需定向喷流或喷流的情况下形成不对称、低速的多叶状结构。

ABSTRACT

We explore the effects of photodissociation at the stages of post-asymptotic giant branch stars to find a mechanism able to produce multi-polar shapes. We perform two-dimensional gasdynamical simulations to model the effects of photodissociation in proto-planetary nebulae. We find that post-asymptotic giant branch stars with 7,000 K or hotter are able to photodissociate a large amount of the circumstellar gas. We compute several solutions for nebulae with low-velocity multi-lobes. We find that the early expansion of a dissociation front is crucial to understand the number of lobes in proto-planetary nebulae. A dynamical instability appears when cooling is included in the swept-up molecular shell. This instability is similar to the one found in photoionization fronts, and it is associated with the thin-shell Vishniac instability. The dissociation front exacerbates the growth of the thin-shell instability, creating a fast fragmentation in shells expanding into media with power-law density distributions such as r^-2.

研究动机与目标

• 探究后-AGB恒星的光致离解是否能够解释原行星状星云中多极形态的形成。
• 确定离解前缘早期膨胀在决定叶状结构数量和分布中的作用。
• 探讨离解前缘不稳定性如何影响具有幂律密度分布的包层气体壳层的破碎过程。
• 检验光致离解而非定向喷流，是造成包层介质中“空洞”从而允许多极泡状结构形成的假设。
• 模拟低温后-AGB恒星（7,000 K）中光致离解的动力学效应，此时电离作用不足但离解作用显著。

提出的方法

• 使用ZEUS-3D代码（版本3.4）进行二维气体动力学模拟，适用于磁流体动力学。
• 基于平衡假设，采用简化方法近似离解前缘的位置，将恒定密度替换为任意径向密度分布。
• 利用后-AGB恒星（约7,000 K）的紫外辐射场驱动分子气体的光致离解，假设在整个过程中始终保持离解平衡。
• 模拟离解前缘在具有幂律密度分布（如r⁻²）的包层介质（CSM）中的膨胀，包括初始密度扰动以打破对称性。
• 追踪离解前缘的演化及壳层破碎过程，重点关注被压缩的分子壳层中不稳定性的发展。
• 分析D型离解激波（D-S）前缘不稳定的增长，该不稳定性与电离前缘中的Vishniac薄壳不稳定性类似，用于解释叶状结构的形成与不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 后-AGB恒星（有效温度约7,000 K）的光致离解是否能够产生原行星状星云中的多极叶状结构？
• RQ2 离解前缘的早期膨胀如何影响星云中叶状结构的数量和方位分布？
• RQ3 D型离解激波（D-S）前缘不稳定性在塑造包层介质和破碎壳层中起什么作用？
• RQ4 赤道与极区密度比如何影响通过光致离解形成的叶状结构的数量与对称性？
• RQ5 光致离解是否足以在包层包层中形成必要的“空洞”，从而允许多极泡状结构的形成，如Kwok（2010）所提出的假设？

主要发现

• 有效温度≥7,000 K的后-AGB恒星能够光致离解包层中相当比例的分子气体，从而促成光致离解区（PDR）的形成。
• 离解前缘的早期膨胀对于决定叶状结构的数量至关重要，叶状结构的数量与赤道/极密度比成反比。
• 发展出一种D型离解激波（D-S）前缘不稳定性，其行为类似于电离前缘中的Vishniac薄壳不稳定性，导致被压缩壳层迅速破碎。
• 在具有幂律密度分布（如r⁻²）的介质中，该D-S前缘不稳定性被加剧，导致不稳定性灾难性增长，从而促进形成不对称、多叶状结构。
• 在初始密度对比度较低的模拟中（如模型50-b），PDR向更大的立体角扩张，形成多个叶状结构；而在高对比度情况下（如图1），仅形成单一极向隧道。
• 该不稳定性导致气体在谷底堆积，而在峰顶被清除，从而使更多紫外光子能沿低密度路径穿透，加速前导激波并使斜向激波更加陡峭。