Dust formation by stars and evolution in the interstellar medium [Elektronische Ressource] / presented by Svitlana Zhukovska

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Published 01 January 2009
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CF  NS M
 R C  U  H,G
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D NS
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 : K(U)
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
    
R: P. D. H P G
P. D. MCZusammenfassung
Das Hauptziel dieser Arbeit ist das Studium des Ursprungs und der Entwicklung des
interstellaren Staubs in der Milchstraße. Wir erarbeiten ein Modell der chemischen Ent
wicklung der galaktischen Scheibe als Grundlage unseres neuen Staubentwicklungsmo
dells,daserstmalsdieindividuelleEntwicklungdesSternenstaubsundinMolekul¨ wolken
der galaktischen Scheibe kondensierten Staubs berucksichtigt.¨ Die Staubproduktion von
AGB Sternen behandeln wir im Detail, indem wir Berechnungen synthetischer AGB
ModellemitModellenzurStaubkondensationindemvonSternenausgestoßenenMateri
al kombinieren. Weiterhin schatzen¨ wir die Effizienz der Staubkondensation in Super
novae durch Anpassen der Ergebnisse von Modellrechnungen zur Sonnenumgebung an
beobachteteHaufigkeitenvondurchSupernova Explosionenerzeugtenpr asolaren¨ Staub
kornern.¨ Unsere Ergebnisse legen dar, dass Supernovae uberwie¨ gend Staub aus Kohlen
stoff mit einem sehr kleinen Anteil von Staub aus Silikaten, Eisen und Siliziumcarbid
erzeugen. Wir zeigen, dass interstellarer Staub wahrend¨ der gesamten Entwicklungsge
schichte der galaktischen Scheibe hauptsachlich¨ aus im interstellaren Medium entstan
denem Staub besteht. Zudem dominiert die Staub aus AGB Sternen und Supernovae im
interstellarenMediumnurbeiMetallizitaten¨ unterhalbdesfur¨ effizientesStaubwachstum
¨ ¨inMolekulwolkennotigenMinimums.
Abstract
Themaingoalofthisthesisisthestudyoftheoriginandevolutionofinterstellardustin
the Milky Way. We develop a model for the chemical evolution of the galactic disk as
a basis for our new model of dust evolution, which considers for the first time the indi
vidual evolutions of stardust and of dust condensed in molecular clouds of the Galactic
disk. We include dust production by AGB stars in detail, using the results of synthetic
AGB models combined with models of dust condensation in stellar outflows, and esti
mate the efficiency of dust condensation in supernovae by matching model results for
theSolarneighbourhoodwith observedabundances of presolar dustgrains of supernova
origin. Ourresultsindicatethatsupernovaeproducemainlycarbondust,withonlysmall
amountsofsilicates,ironandsiliconcarbonate. Weshowthattheinterstellardustpopu
lationisdominatedbydustgrownintheinterstellarmediumacrosstheGalactichistory;
moreover,dustformedinAGBstarsandsupernovaeisadominantsourceofdustonlyat
metallicitieslowerthantheminimalvalueforefficientdustgrowthinmolecularclouds.Contents
ListofFigures v
ListofTables ix
1 Introduction 1
1.1 Dustproductionbystars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Presolardustgrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 DustcondensationintheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 MC growndust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Evolutionofinterstellardust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Multicomponentdustmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 ModellingofdustintheGalacticdisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Planofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Chemicalevolutionasatool 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Basicequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 MainingredientsofCEmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Galaxymodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Starformationrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3 Initialmassfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4 Stellarlifetimesandnucleosynthesisyields . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.5 MixingofejectedmaterialintheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Numericalimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 EvolutionoftheSolarneighborhood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 ChemicalevolutionintheSolarneighborhood . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.2 Evolutionofmetallicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.3 MetallicitydistributionofGdwarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.4 Evolutionofabundanceratiosofindividualelements . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.5 Stellarabundanceconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
iCONTENTS
2.5.6 Astrationtimefortheinterstellarmatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6 EvolutionoftheMilkyWaydisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.1 Galacticabundancegradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7 TowardtheSEDcalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.7.1 Calculationoftheintrinsicgalacticstellarflux . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7.2 Resultsofspectralsynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Multicomponentdustmodel 49
3.1 Evolutionmodelfortheinterstellardust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 DustreturnbyAGBstars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 Dustreturnbysinglestellarpopulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 Dustinjectionrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 MgSformationinstellarwindsofcarbonstars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 FormationofMgSinastellarwind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.2 Dustparticlegrowth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.3 Possiblecarriergrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.4 Modelswithcore mantlegrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.5 OpticalpropertiesofgrainswithSiCcoreandMgSmantle . . . . . . . . . . 66
3.3.6 Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4 Dustproductionbymassivestars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.1 Dustformedinpre supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5 Dustreturnbysupernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6 RatesofdustinjectionbystarsfortheSolarneighborhood . . . . . . . . . . . . . . 74
4 DustevolutionintheISM 77
4.1 Dustdestructionintheinterstellarmedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1 Dustdestructionprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2 Dustinsupernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Evolutionofstardust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Mass distributionofAGB starsandtheirmetallicities . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 ProbabilityofsurvivalofstardustintheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 Dustgrowthintheinterstellarmedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.1 Growthofdustgrainsinmolecularclouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2 Sourcetermfordustproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.3 Limitcases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4 Theindividualdustspecies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1 Silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.2 Carbondust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.3 Irondust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
iiCONTENTS
5 Resultsofthedustevolutionmodel 99
5.1 DustevolutionattheSolarcircle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.1 EvolutionofMC growndust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.2 Evofdustabundances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.3 Efficiencyofsupernovadustproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.4 Dustcomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.5 Evolutionofthedust to gasratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.6 DustinputintotheSolarSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2 DustevolutionintheMilkyWaydisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2.1 ContributionofAGBstarstothepresentdaystardustpopulationinMilkyWay115
5.2.2 Radialprofileofdust to gasratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.3 Presentdaydistributionofdustspeciesinthedisk . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.4 GlobaldustpropertiesintheMilkyWay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6 Conclusions 125
6.1 Futureprospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Bibliography 131
A DustformationbyAGBstars 145
iiiCONTENTS
iv