[論文レビュー] Mixing processes during the evolution of red giants with moderate metal deficiencies : the role of molecular-weight barriers

C. Charbonnel, Jeffery A. Brown+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、リチウム、炭素および窒素の同素体の正確な含有量と12C/13Cおよび12C/14N比を用いて、中程度の金属不足を示す赤色巨星における余分な混合過程を調査している。分子量勾配、特に臨界μ勾配が、赤色巨星における12C/13C比の20から7への低下およびリチウムの枯渇を説明できることを示しており、回転駆動型の渦状循環が余分な混合を引き起こすメカニズムであることを強く示唆している。

ABSTRACT

We have assembled accurate abundance data for Li, C, and N as well as the 12C/13C ratio for five field giants with [Fe/H]=-0.6 including Arcturus and two stars in the globular cluster 47 Tuc. Using their very precise Mbol values obtained from HIPPARCOSparallaxes, we can place them into an evolutionary sequence. The sequence shows that the 12C/13C ratios ratios drops from 20 to near 7 between Mbol=+1 and +0.5, while Li disappears. At the same time the 12C/14N ratio diminishes by 0.2 to 0.4 dex. The two stars in 47 Tuc with Mbol near -2.0 show even lower 12C14N ratios by 0.4 dex indicating further mixing as they evolved to the top of the red giant branch. These observations confirm the existence of an extra-mixing process that becomes efficient on the red giant branch only when the low-mass stars reach the so-called luminosity function bump. We use the values of the carbon isotopic ratio observed in our sample to get constraints on the mu-barriers that may shield the central regions of a star from extra-mixing. We show that the same value of the critical gradient of molecular weight leads to 12C/13C ratios observed at different metallicities. This ``observational critical mu-gradient'' is in very good agreement with the one which is expected to stabilize meridional circulation. This result provides strong clues on the nature of the extra-mixing which occurs on the RGB, and indicates that it is related to rotation.

研究の動機と目的

• 中程度の金属不足を示す低質量赤色巨星における余分な混合過程の起源を理解すること。
• 分子量障壁が、赤色巨星における観測された同素体含有量の傾向を説明できるかどうかを特定すること。
• 渦状循環を安定化させ、混合を抑制するための臨界分子量勾配（μ勾配）を制約すること。
• 観測された含有量パターンを、赤色巨星進化における回転混合の理論的モデルと結びつけること。
• 異なる金属量において同じ臨界μ勾配が適用可能かどうかを、フィールド巨星およびクラスタ星を用いて検証すること。

提案手法

• 鉄の質量関数[Fe/H] = -0.6を示す5つのフィールド巨星（アルクトゥルスおよび47 Tucの星を含む）について、リチウム、炭素および窒素の同素体、および12C/13Cおよび12C/14N比の高精度な含有量データを取得した。
• HIPPARCOSパラレルスを用いて正確な絶対等級（Mbol）を導出し、星が赤色巨星における進化シーケンスにどのように位置づけられるかを特定した。
• 光度の関数として同素体比の変化を追跡し、余分な混合の開始および効率を特定した。
• 分子量勾配によって安定化された渦状循環の理論的モデルと、観測された12C/13Cおよび12C/14Nの傾向を比較した。
• 観測された混合の開始点から「観測的臨界μ勾配」を計算し、渦状循環を安定化させる理論的期待値と比較した。
• Mbol ≈ -2.0の47 Tucの星を用いて、光度関数のぶつぶつ付近でのより深い混合を調査し、より高い光度における制約を拡張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属不足の星において、赤色巨星における12C/13C比が約20から約7に低下する原因は何か？
• RQ2 なぜリチウムの枯渇が、12C/13C比の低下と一致するのか？
• RQ3 分子量障壁が、光度関数のぶつぶつにおける余分な混合の開始を説明できるか？
• RQ4 観測に基づいて、渦状循環を安定化させるために必要な臨界分子量勾配は何か？
• RQ5 観測された同素体含有量の傾向が示唆するように、同じ臨界μ勾配が異なる金属量に適用可能かどうか？

主な発見

• Mbol = +1から+0.5の間で12C/13C比が約20から約7に低下しており、赤色巨星における明確な余分な混合が示唆されている。
• Mbol ≈ +0.5の星ではリチウムが枯渇しており、これは余分な混合の開始と12C/13C比の低下と一致している。
• Mbol = +1から+0.5の間で12C/14N比が0.2～0.4 dex低下しており、CNOサイクルを経た物質の強化された混合を確認している。
• Mbol ≈ -2.0の47 Tucの星では、12C/14N比がさらに0.4 dex低下しており、光度関数のぶつぶつでのより深い混合を示している。
• 混合を抑制するために必要な観測的「臨界μ勾配」は、渦状循環を安定化させる理論的値と非常に良好に一致している。
• 異なる金属量において臨界μ勾配が一貫していることから、回転駆動型の渦状循環が、これらの星における余分な混合の主要メカニズムであると解釈する根拠が強化されている。