[论文解读] Dust driven mass loss from carbon stars as a function of stellar parameters - I. A grid of Solar-metallicity wind models

Lars Mattsson, Rurik Wahlin+1 more|ArXiv.org|Sep 8, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 66

一句话总结

本研究构建了900个自洽的辐射流体动力学模型，针对太阳金属丰度的碳星，结合频率依赖的辐射转移和时变的尘埃形成过程，系统研究了质量损失如何依赖于恒星参数。关键发现是，尘埃驱动的星风仅在参数空间中存在一个复杂的阈值之上才可能实现，质量损失率强烈依赖于碳丰度、温度、光度和脉动速度，由此提出了一套公开可用的、用于恒星演化模型的高精度质量损失处方的FORTRAN程序。

ABSTRACT

[Abridged] We have computed a grid of 900 numeric dynamic model atmospheres (DMAs) using a well-tested computer code. This grid of models covers most of the expected combinations of stellar parameters, which are made up of the stellar temperature, the stellar luminosity, the stellar mass, the abundance of condensible carbon, and the velocity amplitude of the pulsation. The resultant mass-loss rates and wind speeds are clearly affected by the choice of stellar temperature, mass, luminosity and the abundance of available carbon. In certain parts of the parameter space there is also an inevitable mass-loss threshold, below which a dust-driven wind is not possible. Contrary to some previous studies, we find a strong dependence on the abundance of free carbon, which turns out to be a critical parameter. Furthermore, we have found that the dust grains that form in the atmosphere may grow too large for the commonly used small particle approximation of the dust opacity to be strictly valid. This may have some bearing on the wind properties, although further study of this problem is needed before quantitative conclusions can be drawn. The wind properties show relatively simple dependences on stellar parameters above the mass-loss threshold, while the threshold itself is of a more complicated nature. Hence, we chose not to derive any simplistic mass-loss formula, but rather provide a mass-loss prescription in the form of an easy-to-use FORTRAN routine. Since this mass-loss routine is based on data coming from an essentially self-consistent model of mass loss, it may therefore serve as a better mass-loss prescription for stellar evolution calculations than empirical formulae. Furthermore, we conclude that there are still some issues that need to be investigated, such as the role of grain-sizes.

研究动机与目标

• 系统研究碳星在渐近巨星支（AGB）阶段的质量损失如何依赖于温度、光度、质量、碳丰度和脉动速度等关键恒星参数。
• 识别尘埃驱动星风形成的物理条件，特别是非平凡的质量损失阈值的存在。
• 开发一种基于物理原理、自洽的质量损失处方，通过整合详细的辐射转移和尘埃形成物理过程，改进现有的经验公式。
• 通过检查模型中颗粒尺寸的演化，评估小颗粒近似在尘埃消光系数中的有效性。
• 提供一个公开可访问、易于使用的基于插值模型数据的FORTRAN程序，供恒星演化和核合成计算使用。

提出的方法

• 使用经过充分验证的代码进行数值辐射流体动力学（RHD）建模，计算跨越广泛恒星参数范围的900个动态模型大气（DMAs）。
• 引入频率依赖的辐射转移，以准确模拟辐射与尘埃在包层环境中的相互作用。
• 采用时变的尘埃形成处理方法，包括成核、凝结和颗粒生长，以模拟风区中真实的尘埃生成过程。
• 采用气体动力学与尘埃动力学之间的自洽耦合，其中辐射压通过动量传递驱动尘埃，从而驱动星风。
• 在五维参数空间（T_eff, L, M, C/O, Δu_p）中对模型结果进行插值，生成质量损失率的查表。
• 通过测试分辨率影响（64与440个频率点）并评估对参数变化的敏感性，验证模型的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些关键恒星参数组合能够促成或抑制碳星中的尘埃驱动质量损失？
• RQ2 质量损失率和风速如何随有效温度、光度、恒星质量、碳丰度和脉动速度变化？
• RQ3 考虑到模型预测的颗粒尺寸，小颗粒近似在尘埃消光系数中的有效性在多大程度上仍然成立？
• RQ4 参数空间中的质量损失阈值具有何种性质？为何其复杂性超过简单的经验阈值？
• RQ5 能否从第一性原理的模型中推导出一种物理解释充分、自校准的质量损失处方，而非依赖经验拟合？

主要发现

• 碳星的质量损失强烈依赖于可凝结碳的丰度，存在一个临界阈值，低于该阈值则无法维持尘埃驱动的星风。
• 在阈值以上，风的性质——包括质量损失率和风速——对恒星参数表现出相对简单的依赖关系；然而，该阈值本身源于温度、碳丰度和光度之间复杂的相互作用。
• 脉动振幅为4.0 km s⁻¹的模型产生典型的质量损失率约为10⁻⁶ M☉ yr⁻¹的若干倍，且无任何模型显示质量损失率低于10⁻⁷ M☉ yr⁻¹，表明维持如此低速率存在物理困难。
• 风速范围为1至60 km s⁻¹，最快风速出现在最富含碳的、处于AGB顶端的恒星中，尽管观测到的碳星通常风速不超过40 km s⁻¹，可能由于选择效应。
• 产风模型中的特征颗粒尺寸可达约10⁻⁵ cm，该尺寸过大，使得小颗粒近似无法严格成立，提示消光模型可能存在潜在局限性。
• 发现颗粒尺寸与风速之间存在负相关性，颗粒尺寸与碳丰度之间也存在负相关性，这反映了尘埃形成区中成核与生长时间尺度之间的竞争。