[论文解读] Dust cloud formation in stellar environments. II. Two-dimensional models for structure formation around AGB stars

P. Woitke, G. Niccolini|ArXiv.org|Apr 28, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 26被引用 15

一句话总结

本文提出二维轴对称模型，表明在C型富碳的渐近巨星支（AGB）恒星周围的尘埃形成气体中，辐射/热不稳定性会驱动形成指向恒星的指状、较冷的尘埃结构。这种不稳定性源于辐射转移与尘埃消光之间的反馈回路，导致自遮蔽和局部尘埃凝结，从而再现了行星状星云中观测到的彗星状结状特征。

ABSTRACT

This paper reports on computational evidence for the formation of cloud-like dust structures around C-rich AGB stars. This spatio-temporal structure formation process is caused by a radiative/thermal instability of dust forming gases as identified by Woitke et al.(2000). Our 2D (axisymmetric) models combine a time-dependent description of the dust formation process according to Gail & Sedlmayr (1988) with detailed, frequency-dependent continuum radiative transfer by means of a Monte Carlo method (Niccolini et al.2003) in an otherwise static medium (v=0). These models show that the formation of dust behind already condensed regions, which shield the stellar radiation field, is strongly favoured. In the shadow of these clouds, the temperature decreases by several hundred Kelvin which triggers the subsequent formation of dust and ensures its thermal stability. Considering an initially dust-free gas with small density inhomogeneities, we find that finger-like dust structures develop which are cooler than the surroundings and point towards the centre of the radiant emission, similar to the cometary knots observed in planetary nebulae and star formation regions. Compared to a spherical symmetric reference model, the clumpy dust distribution has little effect on the spectral energy distribution, but dominates the optical appearance in near IR monochromatic images.

研究动机与目标

• 研究富碳AGB恒星包层中团块状尘埃结构的形成机制。
• 探讨尘埃形成气体中的辐射/热不稳定性是否能导致自组织的非球对称结构。
• 确定自遮蔽和温度降低在稳定阴影区域新形成尘埃中的作用。
• 比较团块状与球对称尘埃分布的光学外观和光谱能量分布。
• 评估此类不稳定性作为AGB恒星非对称质量流失机制的潜力。

提出的方法

• 采用基于Gail & Sedlmayr (1988) 的时间依赖尘埃形成处理的二维轴对称模型。
• 通过蒙特卡洛方法（Niccolini et al., 2003）实现频率相关的连续谱辐射转移。
• 模拟静态介质，无整体速度（$\vec{v} = 0$），以隔离辐射/热效应。
• 在球坐标系中使用空间网格，包含$N_r = 71$个径向和$N_\theta = 71$个角向单元，形成环形单元。
• 通过高斯随机场引入初始密度非均匀性，中平面以上$C_2 = 0.10$，以下$0.03$。
• 追踪自遮蔽区域中尘埃形成、温度和消光系数的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 尘埃形成气体中的辐射/热不稳定性是否能导致非球对称、团块状尘埃结构的形成？
• RQ2 既有尘埃云的自遮蔽如何影响下游区域的温度及后续尘埃凝结？
• RQ3 初始密度非均匀性对指状尘埃结构发展的影响是什么？
• RQ4 与球对称模型相比，团块状尘埃分布对光谱能量分布有何影响？
• RQ5 团块状结构在单色图像中对近红外光学外观的主导程度如何？

主要发现

• 在受恒星辐射屏蔽的区域形成指状尘埃结构，温度降低数百开尔文。
• 阴影区域的温度下降触发了进一步的尘埃凝结，并确保新形成尘埃的热稳定性。
• 与球对称模型相比，团块状尘埃分布对整体光谱能量分布的影响微乎其微。
• 在近红外单色图像中，团块状结构主导了光学外观，呈现出彗星状结的形态。
• 由于辐射屏蔽和冷却速率降低，尘埃形成在已凝结区域后方被强烈促进。
• 模型再现了行星状星云中观测到的彗星状结的形态，结构指向中心恒星。