[論文レビュー] 3D hydrodynamic simulations of massive main-sequence stars. I. Dynamics and mixing of convection and internal gravity waves

Falk Herwig, Paul R. Woodward+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、25 M⊙ の主系列星のコア-エンVELOープ境界における対流および内部重力波（IGWs）による混合を3次元流体力学的シミュレーションで調査する。IGW混合効率のスケーリング関係 $ D_{\text{IGW-hydro}} \propto L^{4/3} $ を確立し、IGW混合が熱的に強化された乱流剪断によって駆動される場合、名目加熱条件下で拡散係数が $ 2{-}3 \times 10^4\ \text{cm}^2/\text{s} $ に上限を持つことが示され、質量星における表面組成への影響が限定的であることを示唆している。

ABSTRACT

We performed 3D hydrodynamic simulations of the inner $\approx 50\%$ radial extent of a $25\ \mathrm{M_\odot}$ star in the early phase of the main sequence and investigate core convection and internal gravity waves in the core-envelope boundary region. Simulations for different grid resolutions and driving luminosities establish scaling relations to constrain models of mixing for 1D applications. As in previous works, the turbulent mass entrainment rate extrapolated to nominal heating is unrealistically high ($1.58 imes 10^{-4}\ \mathrm{M_\odot/yr}$), which is discussed in terms of the non-equilibrium response of the simulations to the initial stratification. We measure quantitatively the effect of mixing due to internal gravity waves excited by core convection interacting with the boundary in our simulations. The wave power spectral density as a function of frequency and wavelength agrees well with the GYRE eigenmode predictions based on the 1D spherically averaged radial profile. A diffusion coefficient profile that reproduces the spherically averaged abundance distribution evolution is determined for each simulation. Through a combination of eigenmode analysis and scaling relations it is shown that in the $N^2$-peak region, mixing is due to internal gravity waves and follows the scaling relation $D_\mathrm{IGW-hydro} \propto L^{4/3}$ over a $\gtrapprox 2\ \mathrm{dex}$ range of heating factors. Different extrapolations of the mixing efficiency down to nominal heating are discussed. If internal gravity wave mixing is due to thermally-enhanced shear mixing, an upper limit is $D_\mathrm{IGW} \lessapprox 2$ to $3 imes 10^4\ \mathrm{cm^2/s}$ at nominal heating in the $N^2$-peak region above the convective core.

研究の動機と目的

• 質量星の主系列段階におけるコア-エンVELOープ境界近辺の混合プロセス（特に内部重力波（IGWs）および対流）を定量すること。
• 3次元流体力学的シミュレーションから得られるIGW混合効率のスケーリング関係を確立し、1次元星の進化モデルに反映すること。
• シミュレーションにおける取り込み率の現実性を評価し、不自然に高い値が生じる原因を特定すること。
• IGW混合が剪断ではなく、代わりに拡散的確率的混合のような他のメカニズムによって駆動されているかどうかを特定すること。
• 3次元シミュレーション結果と、球面平均化されたプロファイルを用いたGYREによる1次元固有モード予測を比較すること。

提案手法

• 25 M⊙ の主系列星の内半径50%の領域について、メッシュの適応的細分化と陰的時間積分法を用いて3次元流体力学的シミュレーションを実施した。
• 複数のグリッド解像度および異なる加熱光度でシミュレーションを実行し、混合効率のスケーリング則を導出する。
• 3次元シミュレーションからの球面平均化された半径方向プロファイルをGYREの入力として用い、内部重力波の固有モードを計算した。
• 波のパワースペクトル密度を解析し、GYREの予測と比較することで、波の励起および伝播の妥当性を検証した。
• 各シミュレーションについて、球面平均化された組成の時間変化を再現できるように、拡散係数プロファイルを導出した。
• 高次速度統計（歪度および尖度）を用いて、対流領域と波支配領域の境界を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元シミュレーションにおいて、質量星のIGW混合効率は加熱光度にどのように依存するか？
• RQ2 なぜ3次元シミュレーションでは不自然に高い質量取り込み率を示すのか。これは1次元モデルとどのように調和させられるか？
• RQ3 N²ピーク領域における内部重力波の混合寄与度はどの程度で、1次元固有モード予測と比較してどうなるか？
• RQ4 IGW混合が熱的に強化された剪断によって駆動される場合、シミュレーションの外挿に基づいて、混合効率の上限は何か？
• RQ5 拡散的確率的混合のような代替混合メカニズムが、剪断に基づくモデルよりも高いIGW混合効率を説明できるか？

主な発見

• 内部重力波による混合効率は、加熱光度にわたる $ \geq 2\ \text{dex} $ の範囲で $ D_{\text{IGW-hydro}} \propto L^{4/3} $ に比例する。
• シミュレーションにおける波のパワースペクトル密度は、球面平均化された1次元プロファイルに基づくGYRE固有モードの予測とよく一致している。
• 名目加熱条件下に外挿された乱流質量取り込み率は $ 1.58 \times 10^{-4}\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1} $ であり、非平衡初期条件のため不自然に高い値となっている。
• IGW混合が熱的に強化された剪断によって駆動される場合、N²ピーク領域における拡散係数の上限は、名目加熱条件下で $ 2{-}3 \times 10^4\ \text{cm}^2/\text{s} $ である。
• 径方向速度の確率密度関数（PDF）において、歪度と過剰尖度の積の最大値が動的境界で観測され、対流から波支配への流れの遷移が確認された。
• シミュレーションの結果、剪断に基づくIGW混合は局所的影響にとどまり、25 M⊙ の質量星の主系列期間中に表面組成を顕著に変化させないことが示唆された。