[论文解读] Survival of icy grains in debris discs. The role of photosputtering

A. N. Grigorieva, P. Thébault+2 more|ArXiv.org|Sep 6, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 42被引用 49

一句话总结

本文研究了紫外光致溅射在破坏碎片盘中冰质颗粒方面的主导作用，超越了升华效应。通过结合颗粒侵蚀、动力学演化和恒星辐射的详细模型，发现只有毫米级颗粒能在像β Pictoris这样的系统中历经系统年龄后仍保留冰质；即便如此，溅射产生的气体仍超过观测限制，因此在大多数碎片盘中，显著的冰质颗粒群体几乎可以被排除，除非存在于M型恒星周围。

ABSTRACT

We put theoretical constraints on the presence and survival of icy grains in debris discs. Particular attention is paid to UV sputtering of water ice, which has so far not been studied in detail in this context. We present a photosputtering model based on available experimental and theoretical studies. We quantitatively estimate the erosion rate of icy and ice-silicate grains, under the influence of both sublimation and photosputtering, as a function of grain size, composition and distance from the star. The effect of erosion on the grain's location is investigated through numerical simulations coupling the grain size to its dynamical evolution. Our model predicts that photodesorption efficiently destroy ice in optically thin discs, even far beyond the sublimation snow line. For the reference case of beta Pictoris, we find that only > 5mm grains can keep their icy component for the age of the system in the 50-150AU region. When taking into account the collisional reprocessing of grains, we show that the water ice survival on grains improves (grains down to ~ 20 um might be partially icy). However, estimates of the amount of gas photosputtering would produce on such a hypothetical population of big icy grains lead to values for the OI column density that strongly exceed observational constraints for beta Pic, thus ruling out the presence of a significant amount of icy grains in this system. Erosion rates and icy grains survival timescales are also given for a set of 11 other debris disc systems. We show that, with the possible exception of M stars, photosputtering cannot be neglected in calculations of icy grain lifetimes.

研究动机与目标

• 评估冰质颗粒在超越升华效应的碎片盘中的存活能力，重点关注此前被低估的光致溅射侵蚀机制。
• 量化由于光致溅射和升华导致的冰质颗粒及冰-硅酸盐颗粒的侵蚀速率，作为颗粒尺寸、成分和与恒星距离的函数。
• 研究颗粒动力学演化和碰撞再加工对碎片盘环境中冰质颗粒存活时标的影响。
• 根据气体丰度的观测约束（特别是O I柱密度）检验碎片盘中存在冰质颗粒群体的假设。
• 评估光致溅射在各类恒星类型中的重要性，特别是G型、K型、F型和A型恒星。

提出的方法

• 基于近期关于紫外辐射诱导水冰及冰-硅酸盐混合物侵蚀的实验和理论数据，开发了光致溅射模型。
• 将光致溅射与升华效应相结合，计算了颗粒尺寸、成分和与恒星距离的总侵蚀速率。
• 进行了数值模拟，将颗粒尺寸演化与轨道动力学耦合，追踪侵蚀如何影响颗粒的位置和存活情况。
• 以β Pictoris为参考模型，估算侵蚀阈值和存活时标，随后将结果推广至其他11个碎片盘系统。
• 通过恒星辐射通量的平方依赖关系对侵蚀速率进行距离缩放，以推广至不同盘半径的结果。
• 评估光致溅射产生的气体（特别是O I）并将其与观测上限进行比较，以检验冰质颗粒群体的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰质颗粒能否在超越升华雪线的碎片盘中因光致溅射效应而存活？
• RQ2 在典型碎片盘系统寿命内，能保留其冰质成分的最小颗粒尺寸是多少？
• RQ3 碰撞再加工在碎片盘中如何影响较小冰质颗粒的存活？
• RQ4 在类似β Pictoris的系统中，光致溅射引起的气体产量在多大程度上超过观测约束？
• RQ5 侵蚀时标在不同恒星类型之间如何变化，特别是M型星与更明亮的F/A/G/K型恒星相比？

主要发现

• 对于β Pictoris系统，由于强烈的光致溅射，在50–150 AU区域只有直径大于约5 mm的颗粒才能在系统年龄（12 Myr）内保留其冰质成分。
• 即使存在碰撞再加工，可能维持直径约20 μm的冰质颗粒群体，但由此产生的O I气体产量仍超过观测上限数个数量级。
• 对于F型及更热的恒星，20 μm颗粒的光致溅射侵蚀时标小于10^7 yr，因此在典型碎片盘系统中无法存活。
• 只有在G型、K型和M型恒星周围，毫米级冰质颗粒才能存活超过1 Gyr；而对于F型及更热的恒星，存活时间被限制在约1–2 × 10^7 yr。
• M型恒星AU Mic是唯一一个光致溅射侵蚀时标（约50 Myr）超过系统年龄（12 Myr）的系统，表明它可能是唯一可忽略光致溅射影响的系统。
• 除M型星外，光致溅射在碎片盘中冰质颗粒寿命模型中不可忽略。