[論文レビュー] Stellar evolution with rotation VIII: Models at Z = 10^{-5} and CNO yields for early galactic evolution

G. Meynet, A. Maeder|ArXiv.org|May 22, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用数 244

ひとこと要約

本論文は、Z = 10⁻⁵の環境において回転効果を含めた星の進化モデルのグリッドを提示し、初期銀河環境におけるCNO核合成と核生成物を調査する。回転による混合が非常に低金属量の中質量および質量の大きな星で顕著に働き、主要な¹⁴Nの生成を促進し、金属不足星における観測されたN/Oの平坦化を説明する。回転がN/O比の決定的要因であり、質量範囲が初期銀河の化学進化におけるC/O比を決定づける。

ABSTRACT

We calculate a grid of star models with and without the effects of axial rotation for stars in the mass range between 2 and 60 M$_{\odot}$ for the metallicity $Z = 10^{-5}$. Star models with initial masses superior or equal to 9 M$_\odot$ were computed up to the end of the carbon--burning phase. Star models with masses between 2 and 7 M$_\odot$ were evolved beyond the end of the He--burning phase through a few thermal pulses during the AGB phase. Compared to models at $Z=0.02$, the low $Z$ models show faster rotating cores and stronger internal $Ω$--gradients, which favour an important mixing of the chemical elements. In very low $Z$ models, primary nitrogen is produced during the He--burning phase by rotational diffusion of $^{12}$C into the H--burning shell. The intermediate mass stars of very low $Z$ are the main producers of primary $^{14}$N, but massive stars also contribute to this production; no significant primary nitrogen is made in models at metallicity $Z$=0.004 or above. We calculate the chemical yields in He, C, N, O and heavy elements and discuss the chemical evolution of the CNO elements at very low Z. Remarkably, the C/O vs O/H diagram is mainly sensitive to the interval of stellar masses, while the N/O vs O/H diagram is mainly sensitive to the average rotation of the stars contributing to the element synthesis. The presently available observations in these diagrams seem to favour contributions either from stars down to about 2 M$_{\odot}$ with normal rotation velocities or from stars above 8 M$_{\odot}$ but with very fast rotation.

研究の動機と目的

• 極めて低金属量（Z = 10⁻⁵）における回転の化学生成物への役割を理解すること。これは初期銀河進化に関連する。
• 標準モデルが観測されたN/O比を説明できない金属不足星における主要な窒素生成の謎を解明すること。
• 2–60 M⊙の範囲で回転する星から得られるCNOおよび重元素の詳細な生成物を計算すること。炭素燃焼段階およびAGB段階を含む進化を含む。
• 回転と初期質量関数が初期銀河におけるC/O対O/HおよびN/O対O/H図に与える影響を評価すること。
• 金属不足のハロー星および低金属量銀河の観測を解釈する理論的根拠を提供すること。

提案手法

• Z = 10⁻⁵における2–60 M⊙の星の進化モデルを非回転および回転（初期v_rot = 300 km/s、一部400 km/s）の両方で計算した。
• 回転に起因する混合は、中緯度循環および乱流拡散を用いてモデル化され、化学元素の輸送および内部角運動量勾配に影響を与えた。
• 核反応速度はNACREコンパイラーに基づき、低温での分子的寄与を含む放射率も使用した。
• 進化は、核心の水素燃焼およびヘリウム燃焼、9 M⊙以上では炭素燃焼、2–7 M⊙ではAGB段階の熱的パulsを含むように追跡した。
• ヘリウム、炭素、窒素、酸素、重元素の化学生成物を計算し、銀河の化学進化の文脈で分析した。
• 理論的C/OおよびN/O比を金属不足星および銀河の観測データと比較し、星の集団の性質を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転による混合は、非常に低金属量星（Z = 10⁻⁵）におけるCNO表面組成および生成物にどのように影響するか？
• RQ2 回転効果は、低金属量における観測されたN/O比の平坦化、特に主要な¹⁴Nの存在を説明できるか？
• RQ3 中質量星（2–8 M⊙）と質量の大きな星（≥8 M⊙）のどちらが初期銀河の窒素増加に主に寄与しているか？
• RQ4 C/O対O/HおよびN/O対O/H図におけるC/O比とN/O比は、初期質量関数と星の回転にどのように依存するか？
• RQ5 星風による質量損失と回転は、低金属量環境における炭素、窒素、酸素の最終生成物にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 低金属量モデルにおける回転による混合は、特に初期回転速度が300 km/s以上である星では、表面窒素を2–3桁増加させる。
• ヘリウム燃焼段階で、回転による拡散によって¹²Cが水素燃焼シェルへ移動し、主要な¹⁴Nが効率的に生成され、AGB段階までその大部分が生存する。
• 中質量星（2–8 M⊙）はZ = 10⁻⁵における主要な¹⁴N生成源であり、質量の大きな星（≥8 M⊙）も顕著な寄与をしている。
• N/O対O/H図は平均星の回転に非常に敏感であり、回転モデルではN/O比が最大で2桁増加するが、C/O比は主に初期質量関数に依存する。
• 観測されたN/Oの平坦化（log(N/O) ≈ -1.7）は、中質量星（2–8 M⊙）を含み、平均回転速度が230 km/s以上（中程度から速い回転）のモデルで最もよく再現される。非回転または質量の大きな星のみのモデルでは再現できない。
• C/O対O/H図は回転にほとんど感応しないが、寄与する星の質量範囲に強く依存しており、質量下限が低いほどC/O比が高くなる。