[論文レビュー] On the formation of hydrogen-deficient post-AGB stars

Falk Herwig, T. Bloêcker+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、非常に遅い熱パulsがPG 1159や[WC]-CSPNeのような後AGB星のヘリウム豊富で水素を欠いた表面組成を説明できることを示す物理的に整合性のある星の進化モデルを提示する。核反応と時間に依存する対流混合を同時に解くことで、観測された[He/C/O] = [0.38/0.36/0.22]の表面組成を再現し、'生まれ変わった'状態のシナリオを確認するとともに、AGB星における対流オーバーシュートの役割を支持する。

ABSTRACT

We present an evolutionary sequence of a low mass star from the Asymptotic Giant Branch (AGB) through its post-AGB stage, during which its surface chemical composition changes from hydrogen-rich to strongly hydrogen-deficient as consequence of a very late thermal pulse, following the so-called born-again scenario. The internal structure and abundance changes during this pulse are computed with a numerical method which allows the physically consistent calculation of stellar layers where thermonuclear and mixing time scale are comparable - a situation which occurs when the helium flash driven convection zone extends to the hydrogen-rich surface layers during the pulse peak. The final surface mass fractions are [He/C/O]=[0.38/0.36/0.22], where the high oxygen abundance is due to diffusive overshoot employed during the AGB evolution. These models are the first to achieve general agreement with the surface abundance pattern observed in hydrogen-deficient post-AGB stars - e.g. the PG 1159 stars or the WR-type central stars of planetary nebulae -, confirming the born-again scenario with a physically consistent calculation and supporting the occurrence of convective overshooting in thermally pulsing AGB stars.

研究の動機と目的

• 非常に遅い熱パルスによって、炭素酸化物を豊富に含む物質が表面に混合されることで、長年にわたる水素を欠いた後AGB星の問題を解決すること。
• PG 1159や[WC]-CSPNeで観測された高い酸素組成を再現できなかった従来のモデルの失敗を解消すること。
• 核反応と混合を同等の時間スケールで扱う物理的に整合性のある数値的手法を用いて、'生まれ変わった'状態のシナリオを検証すること。
• AGB進化中の対流オーバーシュートが、中間層領域における高い炭素および酸素組成を説明できるかどうかを調査すること。
• 水素を欠いた後AGB星の観測された表面組成が、単一の物理的に自己整合的な進化経路によって再現可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 本研究は、時間に依存する核種および対流混合の進化を1つの暗黙的ステップで同時に解く新しい数値スキームを採用しており、逐次的近似を回避する。
• 核反応および拡散的混合による組成変化をモデル化する非線形偏微分方程式系を用い、以下の式で表す：$\left(\frac{\mathrm{d}\@vec{X}_{j}}{\mathrm{d}t}\right)=\frac{\partial}{\partial m}\left[(4\pi r^{2}\rho)^{2}D\frac{\partial\@vec{X}_{j}}{\partial m}\right]+\hat{F}_{j}\cdot\@vec{X}_{j}$。
• バンド・ディアゴナル行列構造上でニュートン・ラプソン反復法を用いて系を解き、約3回の反復で収束を確保する。
• 初期のAGBモデルは、対流オーバーシュート（f=0.016）を伴って進化させ、中間層領域に炭素および酸素が増加する。
• 星がAGBを離脱した後に非常に遅い熱パルスが発生し、ヘリウムフラッシュが発生して対流が水素を豊富に含むエンベロープへと拡大する。
• 本モデルは、対流圏の進化、水素燃焼、および混合を追跡し、表面組成が安定化するまで計算を継続する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常に遅い熱パルスは、PG 1159 や [WC]-CSPNe のような水素を欠いた後AGB星の観測された表面組成を再現できるか？
• RQ2 核反応と時間に依存する混合を同時に取り扱うことで、'生まれ変わった'状態のシナリオの物理的に整合性のあるモデルが可能か？
• RQ3 水素を欠いた後AGB星における高い酸素組成は、対流オーバーシュートを伴うAGB進化によって説明可能か？
• RQ4 対流オーバーシュートは、中間層組成を形作り、水素を欠いた表面層の形成を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 非常に遅い熱パルスの間、水素燃焼段階はどのくらい続くか？ そして最終的な表面組成は何か？

主な発見

• モデルは、PG 1159 や [WC]-CSPNe の観測結果と一致する、水素を欠いた後AGB星における観測された表面組成パターン [He/C/O] = [0.38/0.36/0.22] を成功裏に再現した。
• ピークの水素燃焼光度は $10^8\,{\rm L}_{\odot}$ に達し、持続時間は1週間未満であり、消費された水素質量は $5 \cdot 10^{-5}\,{\rm M}_{\odot}$ にとどまる。
• ピーク時には表面水素質量分率が $3.4 \cdot 10^{-4}$ に低下し、残存する水素質量総量は $7.8 \cdot 10^{-6}\,{\rm M}_{\odot}$ にまで減少し、強い水素欠乏状態が確認された。
• 最終的な表面組成は、AGBモデルの中間層組成と密接に一致しており、'生まれ変わった'イベントによって、以前は隠れていた化学的特徴が露わになったことを示している。
• $m_{\mathrm{r}} = 0.595\,{\rm M}_{\odot}$ における対流圏の分裂は、ヘリウム燃焼領域と水素燃焼領域の遷移を示し、$^4$He、$^{12}$C、$^{16}$O の明確な組成不連続性が観測された。
• パルス後、星は主にヘリウム燃焼エネルギーによって駆動され、ヘリウムフラッシュの対流圏は約1年で元の広がりに回復した。