Dust shells around oxygen-rich Miras and long-period variables
Jeong, Kyung Sook
Zirkumstellare Hüllen kühler pulsierender Sterne späten Typs sind die bedeutenden Objekte, die durch das Ausströmen von Materie in Form komplexer Moleküle und Staubteilchen das interstellare Medium anreichern. Im Gegensatz zu kohlenstoffreichen Sternen, in deren Hüllen sich hauptsächlich amorphe, kohlenstoffhaltige Festkörperpartikel bilden, ist praktisch der gesamte Kohlenstoff in sauerstoffreichen Sternen im chemisch inaktiven CO Molekül gebunden. Daher können sich die Staubteilchen in diesen Sternen nur aus dem verbleibenden Sauerstoff und dem weniger häufigen Elementen wie Fe, Si, Mg, S, Al, Ca und Ti bilden. Dies führt zu einer heterogenen chemischen Zusammensetzung der Staubteilchen. Zur Beschreibung eines Nukleationsprozesses, d.h. dem Gas-Festkörperübergang zur Bildung der ersten Oberfläche, werden Informationen über die thermodynamischen Eigenschaften von Clustern, wie die Gibb'sche freie Bildungsenergie, benötigt. Die erforderlichen Daten für die in Frage kommenden Kondensate (z. B. TiO2) im kühlen Ausstrom sauerstoffreicher zirkumstellarer Hüllen sind größtenteils nicht vorhanden. Um die thermodynamischen Eigenschaften des in diesen Objekten favorisierten Nukleationskeims, TiO2 berechnen zu können, sind Geometrie-Optimierungs- rechnungen der elektronischen Strukturen der Cluster im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt worden. Die so berechneten Gibb'schen freien Bildungsnergien zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Werten, die im Rahmen der klassischen Nukleationstheorie bisher anhand der Oberflächenspannung des Festkörpers approximiert wurden. Dieses Resultat rechtfertigt die weitere Anwendung von klassischer Nukleationstheorie bei der Berechung von Nukleationsraten für die Kondensate, um den primären Nukleationskeim zu bestimmen. In dieser Arbeit wird gezeigt, daß Titanoxide eine relevante Nukleationsrate bei den höheren, in der Staubbildungszone sauerstoffreicher Rote Riesen vorherrschenden Temperaturen von ca. 1000 K aufweisen. Dabei sind, aufgrund der höheren Moleküldichten im Gas, die Nukleationsraten von TiO2 wesentlich effizienter als die von TiO. Durch Akkretion verschiedener Wachstumsspezies auf den TiO2-Keim - entsprechend ihre Stabiltätsgrenzen in den Hüllen sauerstoffreicher Objekte - kommt es zur Enstehung eines heterogenen Staubteilchenmantels. Bilden sich die Staubteilchen bereits in den inneren Bereichen der zirkumstellaren Hülle, üben sie, aufgrund der hohen Leuchtkraft des Sterns und dem daraus resultierenden Strahlungsdruck, einen starken Einfluß auf die hydrodynamische Struktur der Hülle selbst aus. Daher ist eine konsistente Beschreibung der staubbildenden zirkumstellaren Hüllen und damit die Lösung des nichtlinear gekoppelten Systems bestehend aus Hydrodynamik, Thermodynamik, Strahlungstransport, Chemie und die Staubbildung unerläßlich. In dieser Arbeit werden die ersten konsistenten Rechnungen sauerstoffreicher Staubhüllen von Miras und Langperiodisch Veränderlichen durchgeführt. Diese Modelle sind eindeutig durch die stellaren Parameter, Sternleuchtkraft, Sternmasse, Sterntemperatur, die Elementhäufigkeiten sowie die Pulsationseigenschaften des zentralen Sterns, d.h. die Pulsationsamplitude und die Pulsationsperiode, bestimmt. Das hier im Vordergrund stehende Model (20 000 solare Leuchkraft, 2000 K, 1 solare Masse, Pulsationsamplitude von 5 km/s, Periode von 300 Tagen und solare Häufigkeiten) zeigt eine Massenverlustrate von etwa 0.00006 solare Masse pro Jahr und eine Endgeschwindigkeit von 16 km/s, welche gut mit den beobachteten Werten übereinstimmen. Im Allgemeinen wird gezeigt, daß der Strahlungsdruck auf Staub auch in sauerstoffreichen zirkumstellaren Hüllen die Ursache für starke Massenverluste und damit für den Sternenwind sein kann. Die Wirkung des Staubes wird durch die Pulsation unterstützt, die eine Levitation der Atmosphäre verursacht und somit günstigere Bedingungen für die Staubbildung schafft. Staub ist von großer Bedeutung in sauerstoffreichen zirkumstellaren Hüllen, wo er starke Stoßwellen induzieren kann und die Struktur der zirkumstellaren Hüllen dominierend bestimmt. Die staubinduzierten Stöße führen zu einer Schalen-Struktur der zirkumstellaren Hüllen in der räumliche Verteilung der Staubteilchen einen inhomogenen Charakter aufweist.
Circumstellar dust shells around cool pulsating late type stars are the major sources for the replenishment of the interstellar medium with processed material, in particular in the form of complex molecules and of dust particles. In contrast to the carbon-rich situation, where mainly homogeneous amorphous carbon grains and also PAHs are formed, almost all carbon is locked up in the chemically inert CO molecule in an oxygen-rich gas. Therefore, grains can only be formed from molecules containing the remaining oxygen and those less abundant elements (Fe, Si, Mg, S, Al, and Ti). Hence, a heterogeneouscomposition of the emerging dust component has to be expected in this case. Nucleation, the onset of the dust formation, requires the information about the cluster size distribution, which can be calculated from the Gibbs free energy of formation. Often it is the case that the data needed are not avaiable for the condensates. In order to calculate the thermochemical properties, e.g. Gibbs free energy of formation for TiO2 clusters, the geometric optimisation of the electronic structures has been performed in the quantum mechanical calculations based on the density functional theory. The Gibbs free energies of (TiO2)n clusters resulting from the quantum mechanical density functional theory are in good agreement with those values derived by approximation in terms of the surface energy of the solid bulk, which is considered in the nucleation theory. Therefore, it is appropriate to further use the modified nucleation theory for calculating the homogeneous nucleation rates of the high temperature condensates. Among the considered primaey condensates Fe, SiO, TiO and TiO2, only the titanium oxides show efficient nucleation rates at temperatures above 1000 K, where TiO2 nucleation is by far more efficient than TiO due to its higher gas phase concentration. The TiO2 nuclei grow by accretion of those molecular species which can form stable condensates under the thermodynamic conditions prevailing in the circumstellar environment. The result is a heterogeneous grain mantle composition. The consistent description of a dust forming circumstellar shell constitutes a non-linearly coupled problem comprising hydrodynamics, thermodynamics, chemistry, dust formation, growth and evaporation, and the radiative transfer. Therefore, a simultaneous solution of the complete system, including the dust formation, is indispensable for the reliable description of a circumstellar dust shell. The first consistent model calculations for oxygen-rich circumstellar shells around Miras and long-period variables including dust formation have been performed. The solution of the equation system is completely determined by the 4 fundamental stellar parameters, stellar luminosity, stellar mass, stellar temperature, and abundances of the elements and the additional 2 pulsation parameters, the pulsation amplitude and period. The model studied in this work with 20000 solar luminosity, 1 solar mass, 2000 K of stellar temperature, pulsation amplitude of 5 km/s and period of 300 days, and solar metallicity produces a mass loss rate of 0.00006 solar masses per year and an outflow velocity of 16 km/s which show a good agreement with the observation. Dust plays the key role in the determination of the structure of also the oxygen-rich circumstellar shells by driving the wind through the radiation pressure on dust as it has been shown in case of the carbon-rich circumstellar shells. Due to the periodic formation of the dust layers, the radial dust distribution reveals inhomegeneous characteristics. The non-linear effect due to the strong coupling of the whole systems of hydrodynamics,thermodynamics, radiative transfer, chemistry, and the dust fromation reflects the multiperiodicity such that the radial structure of circumstellar dust shells repeats in the time scale of nP with the pulsationa period P and integer n. In the time variation of the mass loss rates, this multiperiodicity is also reflected, involving with the different timescales, e.g. the duration time of the successive two layers a the shell.
