[論文レビュー] Evolution of asymptotic giant branch stars I. Updated synthetic TP-AGB models and their basic calibration

Paola Marigo, L. Girardi|ArXiv.org|Mar 7, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用数 229

ひとこと要約

本稿では、可変な分子吸光率、改良された質量損失の見積もり、および補正された第3の混ざり込み効率を用いて、低・中質量星（0.5–5.0 M⊙、Z = 0.0001–0.03）の更新された合成TP-AGBモデルを提示する。これらのモデルは、塩素星の明るさ関数と大マゼラン雲の集団における星数をよく再現し、金属量にわたる集団合成および統合光モデリングのための一貫性があり、キャリブレーションされたフレームワークを提供する。

ABSTRACT

We present new synthetic models of the TP-AGB evolution. They are computed for 7 values of initial metal content (Z from 0.0001 to 0.03) and for initial masses between 0.5 and 5.0 Msun, thus extending the low- and intermediate-mass tracks of Girardi et al. (2000) until the beginning of the post-AGB phase. The calculations are performed by means of a synthetic code that incorporates many recent improvements, among which we mention: (1) the use of detailed and revised analytical relations to describe the evolution of quiescent luminosity, inter-pulse period, third dredge-up, hot bottom burning, pulse cycle luminosity variations, etc.; (2) the use of variable molecular opacities -- i.e. opacities consistent with the changing photospheric chemical composition -- in the integration of a complete envelope model, instead of the standard choice of scaled-solar opacities; (3) the use of formalisms for the mass-loss rates derived from pulsating dust-driven wind models of C- and O-rich AGB stars; and (4) the switching of pulsation modes between the first overtone and the fundamental one along the evolution, which has consequences in terms of the history of mass loss. It follows that, in addition to the time evolution on the HR diagram, the new models predict in a consistent fashion also variations in surface chemical compositions, pulsation modes and periods, and mass-loss rates. The onset and efficiency of the third dredge-up process are calibrated in order to reproduce basic observables like the carbon star luminosity functions in the Magellanic Clouds, and TP-AGB lifetimes (star counts) in Magellanic Cloud clusters. Forthcoming papers will present the theoretical isochrones and chemical yields derived from these tracks, and additional tests performed with the aid of a complete population synthesis code.

研究の動機と目的

• 大マゼラン雲における主要な観測的制約を再現できる自己一貫性のある合成TP-AGB進化モデルの開発。
• 固定されたスケール太陽比に依存する吸光率からの誤差を是正するため、成分に依存する可変な分子吸光率の取り扱いの改善。
• 大マゼラン雲集団における観測された明るさ関数と星数を用いて、第3の混ざり込みおよび質量損失プロセスのキャリブレーション。
• 既存のZAMSからTP-AGBまでの進化トレースとのシームレスな統合を可能にし、全集団合成アプリケーションに応用可能にする。
• 基本モードと第1オーバートーンの間での振動モードの切り替えと、その質量損失履歴に与える影響の統合。

提案手法

• モデルは、詳細な星のモデルから導出されたコア質量-明るさ関係、間欠的周期、パルスサイクルの変化に関する解析的関係を統合した合成コードを用いて計算された。
• 包層進化全般にわたり、第3の混ざり込みとホットボトム燃焼によるC/OおよびC/N比の変化に応じて、可変な分子吸光率が使用された。
• C被覆星およびO被覆星の両方のパルス駆動型-dust風モデルに基づき、質量損失率が導出された。
• 振動モードの切り替え（基本モード対第1オーバートーン）は、進化トレースに沿って動的にモデル化され、質量損失履歴に影響を与えた。
• 第3の混ざり込み効率は、大マゼラン雲集団における観測された塩素星の明るさ関数とM型・C型星の数を用いてキャリブレーションされた。
• 予測されたTP-AGB寿命と明るさを、観測された星数と統合光挙動と比較することで、モデルの妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変な分子吸光率を用いることで、固定されたスケール太陽比に依存する吸光率と比較して、TP-AGB星の進化および観測可能な性質にどのような影響を与えるか？
• RQ2 LMCおよびSMCにおける観測された塩素星の明るさ関数を再現するには、どの程度の第3の混ざり込み効率が必要か？
• RQ3 振動モードの遷移（基本モード対第1オーバートーン）は、質量損失率とそれによる進化トレースにどのように影響を与えるか？
• RQ4 更新された質量損失および混ざり込みの見積もりを用いて、大マゼラン雲集団における観測されたTP-AGB寿命を再現できるか？
• RQ5 ホットボトム燃焼と金属量の変動は、TP-AGB段階におけるM型星からC型星への遷移にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 可変な分子吸光率の使用は、C被覆AGB星の進化、特に赤色明るさ領域において顕著に変化させ、固定されたスケール太陽比に依存する吸光率による長年の誤差を是正した。
• キャリブレーション済みの第3の混ざり込み効率は、LMCおよびSMCの両方における観測された塩素星の明るさ関数をよく再現した。特に初期質量が約1.7–2.5 M⊙、Z ≈ 0.008の星において顕著であった。
• 第3の混ざり込みの開始が遅らせられることで、LMC集団におけるM星の寿命ピークが再現可能であり、これはK02のM_c^min(M,Z)形式と整合的である。
• 大マゼラン雲におけるC星の寿命が初期質量の増加に伴い短くなる現象は、高い明るさ（より早いスーパーウインド開始）と高質量星におけるホットボトム燃焼の両方の組み合わせによって説明できる。
• 基本モードと第1オーバートーンモード間の振動モード切り替えを組み込むことで、質量損失履歴の予測の一貫性が向上し、変光調査を用いた新たなキャリブレーションの道が開かれた。
• 合成トレースは、以前のZAMSからTP-AGBまでのモデル（Girardi et al. 2000）とシームレスに接続されており、コア質量と表面組成の継続性が保たれ、ZAMSから白色矮星段階までの全集団合成が可能になった。