Dust shells around oxygen-rich Miras and long-period variables

K.S. Jeong

Dissertation, Institut für Astronomie & Astrophysik, TU Berlin (2000)

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edocs-Server der TUB: Abstract, PDF.

Zusammenfassung:

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-Optimierungsrechnungen 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.