[論文レビュー] Evolution and surface abundances of red giants experiencing deep mixing

Achim Weiß, Pavel A. Denissenkov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、低金属量赤色巨星における表面元素分かちの異常、特にO-Na反比例を説明するために、自己整合的な進化モデルを用いて深部混合の影響を調査している。観測と整合するには僅かなヘリウム増加（ΔY_env ≈ 0.05）にとどまることが判明し、過剰なヘリウム混合が異常を過剰に生成するのを防いでいる。逆に、深部ヘリウム混合がなくても、初期の水素殻燃焼によって極めて高い光度が達成可能であり、これは青水平分岐星と関連する可能性がある。

ABSTRACT

We have calculated the evolution of low metallicity red giant stars under the assumption of deep mixing between the convective envelope and the hydrogen burning shell. We find that the extent of the observed abundance anomalies, and in particular the universal O-Na anticorrelation, can be totally explained by mixing which does not lead to significant helium enrichment of the envelope. On the other hand, models with extremely deep mixing and strong helium enrichment predict anomalies of sodium and oxygen, which are much larger than the observed ones. This latter result depends solely on the nucleosynthesis inside the hydrogen burning shell, but not on the details of the mixing descriptions. These, however, influence the evolution of surface abundances with brightness, which we compare with the limited observational material available. Our models allow, nevertheless, to infer details on the depth and speed of the mixing process in several clusters. Models with strong helium enrichment evolve to high luminosities and show an increased mass loss. However, under peculiar assumptions, red giants reach very high luminosities even without extreme helium mixing. Due to the consequently increased mass loss, such models could be candidates for blue horizontal branch stars, and, at the same time, would be consistent with the observed abundance anomalies.

研究の動機と目的

• 低金属量赤色巨星における対流包層と水素燃焼殻との間の深部混合が表面元素分かちに与える影響を調査すること。
• 観測された元素分かちの異常、特にO-Na反比例と整合するため、包層における強いヘリウム増加が必須であるかを特定すること。
• 深部混合の進化的影響、特に光度の変化と質量損失を評価し、青水平分岐星への意味を検討すること。
• 深部混合に起因する核融合生成物がモデルに依存しないかをテストし、混合の深さと速度を制約する方法を検討すること。
• 自己整合的な進化モデルを用いて、観測された元素分かちの異常と球状星団の第二パラメータ問題を統合すること。

提案手法

• 対流包層と水素燃焼殻との間の拡散的深部混合を含む、低金属量赤色巨星の完全な進化シーケンスを構築した。
• 自己整合的なモデル構造に基づき、表面元素分かちを決定するための後処理核融合計算を実施した。
• 混合の深さと効率を変化させ、ヘリウム増加と元素分かちの異常への影響を調査した。
• Reimers型の質量損失則を適用し、特にRGBの頂点における光度と質量損失の進化的影響を評価した。
• 球状星団（例：M13）における[O/Fe]および[Na/Fe]の観測データと比較し、明るさに応じた元素分かち傾向に注目した。
• 複数の混合レシピをテストすることで、核反応の役割を混合の詳細から分離し、核融合生成物のモデル独立性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤色巨星における観測されたO-Na反比例と整合する包層内のヘリウム増加度はどの程度か？
• RQ2 顕著なヘリウム増加を伴わない深部混合が、赤色巨星のRGBに沿ったCNO元素の進化を含めて観測された元素分かちの異常を説明できるか？
• RQ3 強いヘリウム増加を伴う極端な深部混合の進化的影響は何か、特に光度と質量損失にどのような影響を与えるか？
• RQ4 観測された元素分かちの異常は、混合記述にかかわらず、非常に深い混合と高いヘリウム増加を持つモデルを排除するか？
• RQ5 やや強い混合だが初期の水素殻燃焼を伴うモデルは、強いヘリウム混合がなくても高い光度を達成可能であり、青水平分岐星の説明に役立つのか？

主な発見

• 球状星団に見られる赤色巨星における観測されたO-Na反比例は、ヘリウム増加を最小限に抑えた深部混合（ΔY_env ≈ 0.05）によって完全に説明可能であり、強いヘリウム増加は不要である。
• 極端な深部混合と強いヘリウム増加を伴うモデルは、観測値をはるかに上回る酸素の枯渇とナトリウムの増加を予測するため、観測データによってこのようなモデルは除外される。
• 核融合生成物、特に酸素とナトリウムの異常度は、混合記述に依存せず、水素燃焼殻での核反応にのみ依存する。
• 極端なヘリウム混合がなくても、水素殻燃焼が早期に始まり、高温に達する領域で急速な燃焼が進行することで、非常に高い光度に達することが可能である。
• このような高光度モデルは強い質量損失を経験し（最終質量 < 0.6 M⊙、包層質量はわずか10%程度）、青水平分岐星の候補として妥当である。
• 極端なO-Na異常がないという観測的事実が、選択的要因による説明を排除しており、深部混合が深さと速度の両方で制限されていることを確認している。