[论文解读] Effect of dust rotational disruption by radiative torques on radiation pressure feedback from massive protostars

Thiem Hoang|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 76被引用 11

一句话总结

本文研究了大质量原恒星包层中尘埃颗粒因辐射扭矩引起的旋转破坏（RATD）使辐射压消光系数降低约3倍，从而削弱辐射反馈，挑战了超大质量恒星的形成。通过在强辐射场下模拟颗粒尺寸演化，研究发现RATD能迅速将微米级颗粒破碎为更小颗粒，改变尘埃性质，使其辐射压效率低于标准模型。

ABSTRACT

Radiation pressure on dust is thought to play a crucial role in the formation process of massive stars by acting against gravitational collapse onto the central protostar. However, dust properties in dense regions irradiated by the intense radiation of massive protostars are poorly constrained. Previous studies usually assume the standard interstellar dust model to constrain the maximum mass of massive stars formed by accretion, which appears to contradict with dust evolution theory. In this paper, using the fact that stellar radiation exerts on dust simultaneous radiation pressure and radiative torques, we study the effects of grain rotational disruption by radiative torques (RATs) on radiation pressure and explore its implications for massive star formation. For this paper, we focus on the protostellar envelope and adopt a spherical geometry. We find that original large grains of micron-sizes presumably formed in very dense regions can be rapidly disrupted into small grains by RATs due to infrared radiation from the hot dust shell near the sublimation front induced by direct stellar radiation. Owing to the modification in the size distribution by rotational disruption, the radiation pressure opacity can be decreased by a factor of $\sim 3$ from the value expected from the original dust model. However, to form massive stars via spherical accretion, the dust-to-gas mass ratio needs to be reduced by a factor of $\sim 5$ as previously found.

研究动机与目标

• 研究辐射扭矩破坏（RATD）对大质量原恒星包层中辐射压反馈的影响。
• 解决标准星际介质尘埃模型（如MRN）与致密、高辐射区域中观测到的大颗粒之间的矛盾。
• 确定RATD如何改变尘埃颗粒尺寸分布，进而影响原恒星包层中的辐射压消光系数。
• 评估RATD是否可减少通过球面对称吸积形成大质量恒星时对极端尘气质量比降低的需求。
• 确立RATD的作用速度超过辐射压加速度，使其成为强辐射场中主导的尘埃演化机制。

提出的方法

• 采用球对称模型模拟中心为大质量原恒星、发出强辐射的原恒星包层。
• 模拟不规则尘埃颗粒上的辐射扭矩，计算其超热运动旋转及由此产生的离心应力。
• 使用RATD判据：当离心应力超过颗粒材料的抗拉强度时，发生破碎。
• 基于辐射强度、颗粒尺寸和材料强度计算颗粒破坏 timescale，并与辐射压加速度 timescale 进行比较。
• 通过RATD动态更新尘埃尺寸分布，然后从修改后的分布重新计算辐射压消光系数（红外和紫外波段）。
• 在简化几何构型下求解辐射转移与流体动力学方程，重点聚焦于消融前沿附近的包层区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 辐射扭矩引起的旋转破坏（RATD）如何改变大质量原恒星周围高温尘埃包层中的颗粒尺寸分布？
• RQ2 RATD在破坏尘埃颗粒方面的相对效率与辐射压加速度相比如何？
• RQ3 RATD如何改变辐射压消光系数，特别是在红外（IR）和紫外（UV）波段？
• RQ4 RATD在多大程度上降低了辐射压反馈在大质量恒星形成过程中阻止吸积的能力？
• RQ5 由于RATD导致的尘埃消光系数变化，是否可减少形成大质量恒星所需的尘气质量比降低程度？

主要发现

• RATD破坏微米级多孔尘埃颗粒的速度远快于辐射压加速度，使RATD成为强辐射场中主导的尘埃演化过程。
• RATD之后形成的颗粒尺寸分布与标准星际介质（ISM）分布相似，与原始大颗粒模型相比，辐射压消光系数降低了约3倍。
• 由于颗粒破坏程度随靠近中心恒星而增加，红外辐射压消光系数随距离减小而降低，从而增强光子从包层逃逸。
• 由于小颗粒数量增多，紫外辐射压消光系数显著增加，但这一效应无法补偿红外消光系数的降低。
• 尽管消光系数降低，辐射压反馈仍不足以在不将尘气质量比降低约5倍的情况下阻止吸积，证实了大质量恒星形成中的辐射压屏障。
• 由于RATD的存在，大质量恒星形成区的尘埃性质与标准ISM尘埃本质不同，因此必须在精确反馈模型中包含此机制。