[論文レビュー] Angular momentum transport by internal gravity waves. IV - Wave generation by surface convection zone, from the pre-main sequence to the early-AGB in intermediate mass stars

S. Talon, C. Charbonnel|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 30被引用数 46

ひとこと要約

本研究は、初期質量3 M⊙の中質量星が準主系列から初期AGBにかけての進化過程において、表面対流領域が発生させる内部重力波（IGW）の生成を調査する。数値的星間進化モデルを用いて、IGWが準主系列分岐および初期AGB段階において対流境界で角運動量を顕著に再分配し、混合を誘発することを示している。特にブレント＝ヴァイサーラ周波数の増大とせん断層振動（SLO）が寄与しており、主系列段階ではほとんど影響がない。

ABSTRACT

This is the fourth in a series of papers that deal with angular momentum transport by internal gravity waves in stellar interiors. Here, we want to examine the potential role of waves in other evolutionary phases than the main sequence. We study the evolution of a 3Msun Population I model from the pre-main sequence to the early-AGB phase and examine whether waves can lead to angular momentum redistribution and/or element diffusion at the external convection zone boundary. We find that, although waves produced by the surface convection zone can be ignored safely for such a star during the main sequence, it is not the case for later evolutionary stages. In particular, angular momentum transport by internal waves could be quite important at the end of the sub-giant branch and during the early-AGB phase. Wave-induced mixing of chemicals is expected during the early-AGB phase.

研究の動機と目的

• 表面対流領域が中質量星の主系列以降に発生させる内部重力波（IGW）の役割を評価すること。
• IGWが星間進化において角運動量再分配および化学混合にどのように影響するか、いつ、どのように影響するかを特定すること。
• 対流境界における波誘発乱流およびせん断層振動（SLO）の影響を、重要な進化段階で評価すること。
• 3 M⊙、Z=0.02の星が準主系列から初期AGBにかけての進化過程におけるIGW生成効率を定量化し、回転プロファイルおよび表面組成への影響を評価すること。
• 初期に浅い対流領域を有する星モデルにおいて、波駆動混合および角運動量輸送が顕著になる条件を確立すること。

提案手法

• 星間進化コードを用いて、準主系列から初期AGBにかけての3 M⊙、Z=0.02の第I星族星モデルの数値的進化を実行する。
• 対流境界の振動および層密度勾配に基づき、Talon & Charbonnel（2005）の形式を用いて内部重力波（IGW）のエネルギーフラックスおよび角運動量ランプを計算する。
• ブレント＝ヴァイサーラ周波数による波の減衰を評価し、波誘発混合効率を推定するための拡散係数Dを用いる。
• 角運動量輸送を評価するための波フィルタリング形式を適用し、対流包層底部における強い層密度勾配およびせん断領域に特に注目する。
• 放射層上部（水素燃焼シェルの上）を解像し、対流境界付近の波の影響を追跡するために、相対的質量座標δM = (Mr − MHBS)/(MBCE − MHBS) を用いる。
• 準主系列、主系列、準主系列分岐、赤超巨星分岐、クリンプ、初期AGBを含む進化段階を分析し、IGW活動の顕著な時期を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 M⊙星の進化過程において、表面対流領域による内部重力波（IGW）生成が最も効率的になる時期はいつか？
• RQ2 初期に浅い対流領域を有する星において、IGWが主系列以降の段階で角運動量をどれほど再分配するか？
• RQ3 波誘発混合が表面組成および化学組成プロファイルに与える影響は何か、特に初期AGB段階で顕著か？
• RQ4 せん断層振動（SLO）および増大するブレント＝ヴァイサーラ周波数が、対流境界における波駆動混合をどのように増幅させるか？
• RQ5 波誘発プロセスの timescale は、赤超巨星および初期AGB分岐における進化 timescale と比較してどの程度か？

主な発見

• 3 M⊙星では、主系列段階においては対流領域が存在するが、波励起効率が低いためIGW生成は無視できる。
• 準主系列分岐の終焉に近い段階で、波励起およびフィルタリングが最大に達し、主系列段階で形成された回転プロファイルを変化させる可能性がある。
• 初期AGB段階では、せん断層振動（SLO）の存在により、対流境界で波誘発混合が予想され、乱流および化学混合が強化される。
• 初期AGB段階において、水素燃焼シェル近辺でブレント＝ヴァイサーラ周波数が急激に増大し、波減衰が促進され、核付近での追加混合が促進される。
• 初期AGBにおける第二の上昇混合の間に、波駆動混合により12C、13C、14Nの表面組成にわずかな変化が予想されるが、12C/13C比は平衡に近いまま維持される。
• 対流包層の直下で波誘発拡散係数Dが急激に低下しており、波の減衰 timescale が進化 timescale よりも長いことから、赤超巨星分岐段階では表面組成への波の影響が限定的である。