Hydrodynamics and Dust Formation in the Circumstellar Shells of Miras and Long-Period Variables

A.J. Fleischer
Dissertation, Technische Universität Berlin, 1994
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Zusammenfassung:

Miras und Langperiodische Veränderliche (LPV"s) sind weit entwickelte Sterne auf dem Asymptotischen Riesenast. Aufgrund der besonderen physikalischen Bedingungen dieser leuchtkräftigen pulsierenden Objekte, stellen ihre kühlen, ausgedehnten Hüllen eine ausgezeichnete Umgebung für die Bildung von kleinen Festkörpern (Staub) dar. Es bildet sich ein starker Massenabstrom oder Wind aus, der durch Strahlungsdruck auf Staub getrieben wird. Eine realistische Beschreibung der zirkumstellaren Staubhüllen (ZSH) von Miras und LPV"s ist notwendig, um diese wichtige Station im kosmischen Materiekreislauf zu verstehen.

Die ZSH von Miras und LPV"s sind komplexe, nichtlineare Systeme, die eine konsistente Beschreibung der Hydrodynamik, der Staubbildung, der Thermodynamik, sowie der Chemie erfordern, um eine verläßliche theoretische Modellierung zu erreichen. Es werden daher dynamische Modelle von ZSH präsentiert, die, konsistent gekoppelt, zeitabhängige Hydrodynamik, eine detailierte Beschreibung von Staubbildung, Wachstum und Verdampfung, sowie den Strahlungstransport und auch eine Behandlung der Chemie der Gasphase beinhalten.

Die Ergebnisse dieser Rechnungen unterstreichen die Notwendigkeit, alle als wichtig erkannten Wechselwirkungen auch in der theoretischen Modellierung zu berücksichtigen. Dabei zeigt sich, daß dem Staubkomplex die entscheidende Rolle für die Dynamik der ZSH zukommt. Es wird gezeigt, daß Strahlungsdruck auf Staub, unterstützt durch die Pulsation, den Wind treiben kann. Darüberhinaus kann der Staub selbst, starke Stoßwellen induzieren, die die Struktur der ZSH beherrschen. Dieser Mechanismus von stauberzeugten Stößen produziert eine zwiebelschalenartige radiale Struktur der ZSH und erzeugt dabei auch eine inhomogene Verteilung des Staubs.

Die Modellrechnungen zeigen, daß das Häufigkeitsverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, $\epsilon_{\rm C}/\epsilon_{\rm O}$, ein zentraler Parameter ist. Für hinreichend hohe Werte des $\epsilon_{\rm C}/\epsilon_{\rm O}$ Verhältnisses ergibt sich eine Zeitskala der ZSH, die gleich der durch die Pulsation vorgegebenen Zeitskala ist. Wird der Wert von $\epsilon_{\rm C}/\epsilon_{\rm O}$ jedoch reduziert, so entwickelt die ZSH eine eigene Zeitskala, die um ein Vielfaches länger sein kann als die Pulsationszeitskala; daher wird dieser Effekt als Multiperiodizität bezeichnet. Weiterhin zeigt sich, daß durch eine Erhöhung von $\epsilon_{\rm C}/epsilon_{\rm O}$ auch die resultierende Ausströmgeschwindigkeit des Materials gesteigert wird. Als Folge dieser linearen Korrelation ist es im Prinzip durch die Messung der Ausströmgeschwindigkeit möglich, auf den $\epsilon_{\rm C}/\epsilon_{\rm O}$ Wert des Objekts zu schließen. Bislang bereitet die direkte Bestimmung der photosphärischen Kohlenstoffüberhäufigkeit erhebliche Schwierigkeiten und konnte nur für relativ wenige Objekte durchgeführt werden.

Sind die Leuchtkräfte der Modelle hinreichend hoch, kann sich eine Instabilität einstellen. Sie wird in dieser Arbeit als äußerer $\kappa$-Mechanismus bezeichnet, da der Staubopazität eine Schlüsselrolle zukommt. In diesen Rechnungen erzeugt der Strahlungsdruck auf Staub selbst dann Stoßwellen, wenn keine Pulsation des Sterns vorliegt. Durch Absorption von Sternstrahlung wird das Material einerseits beschleunigt, andererseits werden durch den backwarming-Effekt der Staubopazität in der inneren, staubfreien Region der Atmosphäre Wellen angeregt. Diese Wellen triggern dann wieder die Staubbildung und prägen so dem System eine Zeitskala auf. Es handelt sich somit um einen zyklischen und selbsterhaltenden Mechanismus.

Multiperiodizität und stauberzeugte Stöße manifestieren sich auch im optischen Erscheinungsbild der Staubhüllenmodelle. Die dabei auftretenden Effekte sind prinzipiell auch in den Beobachtungsergebnissen von Miras und LPV"s vorhanden.