[论文解读] Tracing the phase transition of Al-bearing species from molecules to dust in AGB winds. Constraining the presence of gas-phase (Al2O3)n clusters

L. Decin, A. M. S. Richards+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用 38

一句话总结

本研究利用ALMA对R Dor和IK Tau的观测，追踪富含铝的气相物种并约束富氧S型渐近支巨星（AGB星）中的尘埃形成过程。研究发现，仅有约2%的铝存在于AlO、AlOH和AlCl中，表明大尺寸气相(Al₂O₃)ₙ团簇（n > 34）很可能携带了光谱能量分布（SED）中11 µm的宽发射特征，这挑战了当前关于刚玉凝结效率的模型。

ABSTRACT

(abbreviated) We aim to constrain the dust formation histories in the winds of oxygen-rich AGB stars. We have obtained ALMA observations with a spatial resolution of 120x150 mas tracing the dust formation region of a low mass-loss rate and a high mass-loss rate AGB star, R Dor and IK Tau. Emission line profiles of AlO, AlOH and AlCl are detected and are used to derive a lower limit of atomic aluminium incorporated in molecules. We show that the gas-phase aluminium chemistry is completely different in both stars, with a remarkable difference in the AlO and AlOH abundance stratification. The amount of aluminium locked up in these 3 molecules is small, <=1.1e-7, for both stars, i.e. only <=2% of the total aluminium budget. This leaves ample of room for aluminium to be incorporated in grains. A fundamental result is that AlO and AlOH, being the direct precursors of alumina grains, are detected well beyond the onset of the dust condensation proving that the aluminium oxide condensation cycle is not fully efficient. The ALMA observations allow us to quantitatively assess the current generation of theoretical dynamical-chemical models for AGB winds. We discuss how the current proposed scenario of aluminium dust condensation for low mass-loss rate AGB stars at a distance of ~1.5 Rstar, in particular for the stars R Dor and W Hya, poses a challenge if one wishes to explain both the dust spectral features in the spectral energy distribution (SED), in interferometric data, and in polarized light signal. In particular, the estimated grain temperature of Al2O3 is too high for the grains to retain their amorphous structure. We propose that large gas-phase (Al2O3)n-clusters (n>34) can be the potential agents of the broad 11 micron feature in the SED and in the interferometric data and we explain how these large clusters can be formed.

研究动机与目标

• 约束富含铝物种从气相向尘埃相变的过程在富氧AGB星中的行为。
• 研究刚玉（Al₂O₃）凝结作为尘埃成核路径的效率。
• 评估当前动力-化学模型与ALMA对分子谱线轮廓观测的一致性。
• 解释低质量损失率富氧AGB星SED中11 µm宽发射特征的起源。
• 评估气相(Al₂O₃)ₙ团簇在承载11 µm特征中的作用及其在风环境中的形成潜力。

提出的方法

• 获取了空间分辨率为120×150 mas的ALMA观测数据，以绘制R Dor和IK Tau内层星风区域的图像。
• 检测并分析了AlO、AlOH和AlCl的发射线轮廓，以推导气态分子中铝原子的下限值。
• 应用辐射转移建模，约束两颗恒星中含铝物种的相对丰度。
• 利用观测到的分子丰度估算可用于尘埃凝结的铝比例。
• 将理论AGB星风化学与尘埃形成模型与观测约束进行对比评估。
• 基于其潜在的辐射与结构特性，提出大尺寸(Al₂O₃)ₙ团簇（n > 34）可能解释SED中11 µm的宽特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在R Dor和IK Tau的内层星风中，有多少比例的铝被锁存在气相AlO、AlOH和AlCl中？
• RQ2 在富氧AGB星风中，从气相前体凝结Al₂O₃的效率如何？
• RQ3 为何低质量损失率富氧AGB星的SED中11 µm特征呈现宽峰，且无法被标准非晶态Al₂O₃颗粒充分解释？
• RQ4 大尺寸气相(Al₂O₃)ₙ团簇（n > 34）能否解释观测到的11 µm特征，并在星风环境中保持稳定？
• RQ5 R Dor和IK Tau中观测到的分子丰度分布差异如何挑战当前AGB星风化学的理论模型？

主要发现

• 在R Dor和IK Tau中，AlO、AlOH和AlCl的总丰度≤ 1.1 × 10⁻⁷，对应于总铝预算的≤ 2%。
• AlO和AlOH在尘埃凝结半径之外仍被检测到，表明氧化铝凝结循环的效率并不完全。
• 估算的非晶态Al₂O₃颗粒温度过高，无法维持其非晶结构，这挑战了将Al₂O₃作为主要尘埃成核种的标准模型。
• 提出大尺寸气相(Al₂O₃)ₙ团簇（n > 34）是SED和干涉观测中11 µm宽特征的载体。
• R Dor和IK Tau中观测到的分子化学行为存在显著差异，表明低质量和高质损率AGB星中存在不同的化学路径。
• ALMA观测为测试和改进AGB星风化学与尘埃形成理论的动力-化学模型提供了强有力的诊断工具。