[論文レビュー] 3D hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars: I. Atmospheric structure of a giant located near the RGB tip

H.‐G. Ludwig, A. Kučinskas|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、RGBの先端付近（Teff=3660 K、log g=1.0、[M/H]=0.0）の赤色巨星の3次元流体力学的CO5BOLDモデルを提示し、18%の強度対比を示す粒状構造と、強い衝撃波（垂直方向でMach ~2.5、水平方向で~6.0）を明らかにした。乱流圧力は全圧力の最大35%を占め、混合長パラメータと乱流圧力のいかなる組み合わせを用いても、標準的な1次元モデルでは3次元温度構造を再現することは不可能である。

ABSTRACT

We investigate the character and role of convection in the atmosphere of a prototypical red giant located close to the red giant branch (RGB) tip with atmospheric parameters, Teff=3660K, log(g)=1.0, [M/H]=0.0. Differential analysis of the atmospheric structures is performed using the 3D hydrodynamical and 1D classical atmosphere models calculated with the CO5BOLD and LHD codes, respectively. All models share identical atmospheric parameters, elemental composition, opacities and equation-of-state. We find that the atmosphere of this particular red giant consists of two rather distinct regions: the lower atmosphere dominated by convective motions and the upper atmosphere dominated by wave activity. Convective motions form a prominent granulation pattern with an intensity contrast (~18%) which is larger than in the solar models (~15%). The upper atmosphere is frequently traversed by fast shock waves, with vertical and horizontal velocities of up to Mach ~2.5 and ~6.0, respectively. The typical diameter of the granules amounts to ~5Gm which translates into ~400 granules covering the whole stellar surface. The turbulent pressure in the giant model contributes up to ~35% to the total (i.e., gas plus turbulent) pressure which shows that it cannot be neglected in stellar atmosphere and evolutionary modeling. However, there exists no combination of the mixing-length parameter and turbulent pressure that would allow to satisfactorily reproduce the 3D temperature-pressure profile with 1D atmosphere models based on a standard formulation of mixing-length theory.

研究の動機と目的

• 3次元流体力学的モデリングを用いて、RGBの先端付近の赤色巨星の大気構造を調査すること。
• 1次元混合長理論（MLT）が巨星の大気における3次元対流効果をどの程度再現できるかを評価すること。
• 乱流圧力および波動活動が星の大気構造に与える役割を定量化すること。
• 同一の入力パラメータ（透過率、組成、状態方程式）を用いて、3次元流体力学的結果と古典的1次元モデルを直接比較すること。
• 1次元モデルが、αMLTやP_turbなどの調整可能なパラメータを用いて、3次元の圧力-温度構造を再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 球対称幾何学における放射力流体力学方程式を解くために、CO5BOLDコードを用いた3次元流体力学的シミュレーション。
• 同一の大気パラメータ、組成、透過率、状態方程式を用いてLHDコードで1次元モデル大気を計算し、直接比較を可能にした。
• 3次元モデルと1次元モデルの間で、温度、圧力、速度、強度構造の差分分析。
• 3次元モデルの表面輝度マップから強度対比および粒状構造のサイズを計算。
• 1次元エントロピー分布の補間を用いて、3次元モデルと一致する有効な混合長パラメータ（αMLT）を導出。
• 乱流圧力が全圧力に占める寄与割合と、大気構造に与える影響の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤色巨星のRGBの先端付近における3次元対流構造は、太陽と比較して粒状構造や強度対比の面でどの程度異なるか？
• RQ2 乱流圧力は赤色巨星の大気構造にどの程度影響を及ぼすか。また、1次元モデルでこれを再現できるか？
• RQ3 1次元モデルにおけるαMLTと乱流圧力のいかなる組み合わせを用いても、巨星の3次元圧力-温度プロファイルを再現できるか？
• RQ4 この巨星の上層大気における衝撃波ダイナミクスは、太陽の大気と比較してどのようになるか？
• RQ5 1次元フレームワークで3次元モデルのエントロピー構造を再現するために必要な有効な混合長パラメータは何か？

主な発見

• 3次元モデルでは、表面の粒状構造が約18%の強度対比を示し、太陽の約15%を上回っている。
• 巨星モデルの粒状構造の典型的な直径は約5 Gmであり、星面全体で約400個の粒状構造が存在する。
• 上層大気における衝撃波は、垂直方向でMach数約2.5、水平方向で約6.0に達し、太陽と比較してはるかに強く、顕著に強い。
• 外層部では乱流圧力が全圧力の最大約35%を占め、大気構造においてその重要な役割を果たしていることが示された。
• 1次元モデルにおけるαMLTと乱流圧力のいかなる組み合わせを用いても、3次元圧力-温度プロファイルを再現することはできず、標準的MLTに根本的な限界があることが浮き彫りになった。
• 1次元補間から導かれた有効な混合長パラメータはαMLT=1.8であったが、αMLTと乱流圧力の相互作用のため、この解は一意でない。