Internal Structure and Optical Appearance of Circumstellar Dust Shells around Cool Carbon Giants

J.M. Winters

Dissertation, Technische Universität Berlin, 1994

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Zusammenfassung:

Kühle Riesensterne späten Typs repräsentieren wichtige Stadien in der Entwicklung von Sternen mittlerer und geringer Masse. Diese Objekte sind im allgemeinen von ausgedehnten zirkumstellaren Staubhüllen (ZSH) umgeben, die zu beträchtlichen Massenverlusten führen.

In der vorliegenden Arbeit werden detaillierte physikalische Modelle solcher staubbildenden zirkumstellaren Hüllen um späte, kohlenstoffreiche Riesen präsentiert. Diese Modelle enthalten eine konsistente Behandlung von Hydrodynamik, Thermodynamik, Chemie, Staubbildung und -wachstum und des Strahlungstransportproblems. Sowohl die komplette Atmosphärenstruktur, als auch ihr Erscheinungsbild im infraroten Spektralbereich ergeben sich als Resultat der Rechnung.

Diese Arbeit ist in zwei wesentliche Teile gegliedert.

Im ersten Teil wird eine selbstkonsistente Lösung für das stationäre, sphärisch symmetrische Problem eines staubgetriebenen Windes vorgestellt. Die resultierende Hüllenstruktur sowie auch die Massenverlustrate sind vollständig durch die vier fundamentalen stellaren Parameter stellare Masse $M_*$, stellare Leuchtkraft $L_*$, Photosphärentemperatur $T_*$ sowie die Elementhäufigkeiten $epsilon_i$ festgelegt. Die Resultate zeigen, daß in einem stationären staubgetriebenen Wind die übliche Annahme kleiner Teilchen zur Berechnung der Transportkoeffizienten der Staubkomponente nicht gerechtfertigt ist. Insbesondere in den inneren Hüllenbereichen wird die auf die Staubkörner wirkende Strahlungskraft erheblich durch das Vorhandensein großer Teilchen reduziert. Die Abhängigkeit der Modelle von den stellaren Parametern wird diskutiert, und die resultierenden Spektren werden im Rahmen von Infrarot Zweifarbdiagrammen mit den Beobachtungen verglichen. Eine Anwendung dieser Modellrechnungen auf
das bekannte Infrarot-Objekt IRC+10216 ergibt die beste Übereinstimmung mit der beobachteten Energieverteilung und den interferometrischen Daten (gemessen während des Lichtmaximums) für die stellaren Parameter $M_* = 0.7M_sun$, $L_* = 2.4*10^4 L_sun$, $T_* = 2010$K und ein Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff $epsilon_C/epsilon_O = 1.40$, was zu einer Massenverlustrate von $dot M=8*10^{-5} M_sun yr^{-1}$ führt. Aus diesem Modell wird eine Entfernung zu IRC+10216 von d=170pc abgeleitet. Die gesamte in der ZSH enthaltene Masse liefert eine anfängliche Hauptreihenmasse für IRC+10216 von $M_{ZAMS} >= 1.3M_sun$.

Im zweiten Teil werden die Ergebnisse detaillierter, frequenz- und winkelabhängiger Strahlungstransportrechnungen präsentiert, welche auf zeitabhängigen Modellen für pulsierende Atmosphären von kohlenstoffreichen langperiodisch veränderlichen Sternen (LPVs) basieren. Diese Modelle sind durch die vier stellaren Parameter und zwei zusätzliche Größen festgelegt, welche die innere Pulsation des Sterns beschreiben. In diesen Rechnungen werden die Transportkoeffizienten für den Grenzfall kleiner Teilchen im Sinne der Mie Theorie beschrieben, was im Falle der pulsierenden Atmosphären gerechtfertigt ist. Aufgrund der periodischen Bildung von Staubschalen ergibt sich eine inhomogene radiale Staubverteilung, welche die optische Erscheinung dieser Modelle entscheidend beeinflußt. Es wird gezeigt, daß die synthetischen Lichtkurven intermediäre Maxima und überlagerte Perioden aufweisen, wie sie ähnlich auch in den beobachteten Lichtkurven realer LPVs vorhanden sind. Die Spektren der
dynamischen Modelle werden im Rahmen eines Nah-Infrarot Zweifarbdiagrammes mit Beobachtungen verglichen. Es zeigt sich, daß für eine physikalisch konsistente Modellierung der Nah-Infrarot Spektren die Pulsationseffekte berücksichtigt werden müssen. Die diskrete, schalenartige Staubverteilung verursacht darüberhinaus signifikante Strukturen in den Oberflächenhelligkeitsprofilen sowie in den synthetischen Kontrastverläufen, die in qualitativer Übereinstimmung mit den entsprechenden Beobachtungen sind.

Die diskrete Struktur der ZSH liefert erstmalig eine Erklärung sowohl für die signifikanten Charakteristika in den beobachteten Lichtkurven von kohlenstoffreichen LPVs als auch für die kleinskaligen Strukturen, die in beobachteten räumlichen Spektren und in den Intensitätsprofilen vorhanden sind.