[论文解读] Dust cleansing of star-forming gas I: Did radiation from bright stars affect the chemical composition of the Sun and of M67?

B. Gustafsson|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用 6

一句话总结

本文研究了明亮早期型恒星的辐射是否可能通过辐射力从太阳系前及M67前星形成云中清除尘埃，从而导致挥发性元素丰度增强。基于动量守恒的半解析模型表明，尘埃清除仅限于电离氢区（H II区）周围的薄壳层，因此该机制不足以解释M67或太阳中观测到的丰度异常，原因在于湍流和几何约束。

ABSTRACT

The possibility that the solar chemical composition, as well as the similar composition of the rich open cluster M67, have been affected by dust cleansing of the pre-solar/pre-cluster cloud, due to the radiative forces from bright early-type stars in its neighbourhood, is explored. Estimates, using semi-analytical methods and essentially based on momentum conservation, are made of possible dust-cleansing effects. Our calculations indicate that the amounts of cleansed neutral gas are limited to a relatively thin shell surrounding the HII region around the early-type stars. It seems possible that the proposed mechanism acting in individual giant molecular clouds may produce significant abundance effects for masses corresponding to single stars or small groups of stars. The effects of cleansing are, however, severely constrained by the thinness of the cleansed shell of gas and by turbulence in the cloud, why the mechanism can hardly be important in cleansing masses corresponding to rich clusters, such as the mass of the original M67.

研究动机与目标

• 评估附近早期型恒星的辐射力是否可能通过辐射压力去除尘埃，从而改变原太阳和M67的化学组成。
• 评估尘埃清除作为解释太阳观测到的丰度异常（挥发性元素增强、难熔元素亏损）的可行性。
• 检验该机制是否能解释富含约20,000颗恒星的富集疏散星团M67中相似的丰度模式。
• 确定在星形成云中，此类机制所能清除气体质量的上限。
• 判断M67和太阳中观测到的丰度异常是否可能源于局部尘埃清除，而非银河系化学演化或行星形成过程。

提出的方法

• 使用包含中心明亮恒星的均匀、致密、含尘分子云的半解析模型，模拟辐射驱动的尘埃运动。
• 应用动量守恒原理，估算辐射对尘埃颗粒施加的力以及由此产生的气体阻力。
• 通过摩擦力建模尘埃-气体耦合，追踪尘埃运动拖曳周围气体并引发外流的过程。
• 研究电离氢区的动力学，以及由于辐射压力导致的尘埃耗尽的外层薄壳的形成。
• 在理想化条件下估算可被清除的气体最大质量，假设无湍流或不稳定性。
• 将预测的尘埃清除效率与太阳和M67中观测到的丰度异常进行比较，以评估其合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 附近星形成云中的早期型恒星辐射能否解释太阳中难熔元素的亏损和挥发性元素的增强？
• RQ2 辐射压力对尘埃的清除在像M67形成时那样的大质量、致密云中，对其化学组成的影响有多大？
• RQ3 辐射力能有效清除尘埃的气体区域有多厚且多广泛？
• RQ4 湍流、激波和不稳定性对真实星际环境中尘埃清除效率施加了何种限制？
• RQ5 M67中观测到的丰度模式是否与自身早期大质量恒星的自清洁作用一致，还是必须考虑其他解释？

主要发现

• 由于尘埃颗粒迅速减速和强烈的气体阻力，早期型恒星的辐射压力导致的尘埃清除仅限于电离氢区（H II区）周围的薄壳层。
• 可被清除的气体最大质量不足以解释M67中的丰度异常，后者需要清除与星团原始气体储层质量相当的气体。
• 云中的湍流使尘埃-气体漂移速度相比有效清除所需的速率降低数个数量级，严重限制了该机制的效率。
• 即使在理想化条件下，模型预测的清除量也仅为匹配观测到的太阳和M67丰度模式所需量的一小部分。
• 该机制对小尺度系统（如原太阳云）更合理，而对M67这类大质量星团则不成立。
• M67表现出类似太阳的丰度异常这一发现，并不支持尘埃清除假说，因为该机制无法解释所需清除气体的质量。