[論文レビュー] The CoRoT target HD 49933: 1- Role of the metal abundance

R. Samadi, H.‐G. Ludwig+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、3次元流体力学的シミュレーションを用いて、太陽類似星における音響モードの確率的励振に及ぼす表面金属量の影響を調査する。金属量が低い（例：[Fe/H] = -1）と、表面密度が高いため対流速度が低下し、その結果としてモード励振率は太陽金属量と比較して約3倍低下することが判明した。これは、CoRoT標的星HD 49933における星振動の駆動効率に金属量が果たす重要な役割を強調する。

ABSTRACT

Solar-like oscillations are stochastically excited by turbulent convection at the surface layers of the stars. We study the role of the surface metal abundance on the efficiency of the stochastic driving in the case of the CoRoT target HD 49933. We compute two 3D hydrodynamical simulations representative -- in effective temperature and gravity -- of the surface layers of the CoRoT target HD 49933, a star that is rather metal poor and significantly hotter compared to the Sun. One 3D simulation has a solar metal abundance and the other has a surface iron-to-hydrogen, [Fe/H], abundance ten times smaller. For each 3D simulation we match an associated global 1D model and we compute the associated acoustic modes using a theoretical model of stochastic excitation validated in the case of the Sun and Alpha Cen A. The rate at which energy is supplied per unit time into the acoustic modes associated with the 3D simulation with [Fe/H]=-1 are found about three times smaller than those associated with the 3D simulation with [Fe/H]=0. As shown here, these differences are related to the fact that low metallicity implies surface layers with a higher mean density. In turn, a higher mean density favors smaller convective velocities and hence less efficient driving of the acoustic modes. Our result shows the importance of taking the surface metal abundance into account in the modeling of the mode driving by turbulent convection. A comparison with observational data is presented in a companion paper using seismic data obtained for the CoRoT target HD 49933.

研究の動機と目的

• 表面金属量が太陽類似星の確率的モード励振効率に与える影響を評価すること。
• 太陽より金属量が少なく、表面温度が高いHD 49933の表面対流圏を、[Fe/H]を変化させた3次元流体力学的シミュレーションでモデル化すること。
• T_effとlog gが同一で金属量のみが異なる2つの3次元シミュレーション間で、モード励振率を補間する手法を開発・検証すること。
• 観測された[Fe/H] = -0.37を用いて、HD 49933の理論的励振率を計算し、太陽金属量モデルと比較すること。
• 今後、理論的モード振幅と観測された地震学的データを比較するための基盤を提供すること。

提案手法

• T_eff = 6150 K、log g = 4.2を満たすHD 49933の表面層について、[Fe/H] = 0（太陽金属量）と[Fe/H] = -1の2つの3次元流体力学的シミュレーションを実行する。
• 対流圏の基部における構造を標準1次元モデルに一致させることで、『 patched 』1次元モデルを構築する。
• 検証済みの確率的励振理論モデル（Samadi & Goupil, 2001; Belkacem et al., 2006a）を用い、音響モードへの単位時間あたりのエネルギー注入率𝒫を計算する。
• 2つの3次元シミュレーション間の金属量Zにおける線形補間を用い、[Fe/H] = -0.37におけるHD 49933の𝒫を推定する。
• 太陽のヘリウム量（Y = 0.249 ± 0.003）を仮定し、Zの不確実性解析のためにAsplund et al. (2005) と Grevesse & Noels (1993) の2つの太陽化学組成を用いる。
• 補間手法の妥当性を確認するため、期待される傾向と比較し、[Fe/H] = -0.37における第3の3次元シミュレーションが進行中であることを踏まえて検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面金属量の低下が、音響モードを励起する乱流対流の効率にどのように影響するか？
• RQ2 HD 49933（[Fe/H] = -0.37）のような星において、金属量がモード励振率𝒫に及ぼす定量的影響は何か？
• RQ3 T_effとlog gが同一で金属量のみが異なる2つの3次元シミュレーション間で、モード励振率を信頼性高く補間できるか？
• RQ4 HD 49933の結果得られた励振率は、太陽金属量モデルと比較してどう異なるか？
• RQ5 不透明度と金属量によって駆動される表面密度が、対流速度および駆動効率をどのように調節するか？

主な発見

• 金属貧乏な3次元シミュレーション（[Fe/H] = -1）におけるモード励振率𝒫は、太陽金属量シミュレーション（[Fe/H] = 0）と同一のT_effとlog gで比較して約3倍小さい。
• この低下は、金属量が低いと不透明度が低くなることによるもので、表面層の平均密度が高くなり、対流速度が抑制され、駆動効率が低下するためである。
• HD 49933（[Fe/H] = -0.37）では、2つの3次元シミュレーション間の補間に基づき、理論的励振率𝒫は太陽金属量モデルと比較して約2倍小さい。
• Asplund et al. (2005) の太陽組成を用いた場合、HD 49933の最大励振率𝒫は1.08 ± 0.05 × 10¹⁷ J/sであり、Grevesse & Noels (1993) の組成を用いた場合、1.27 ± 0.05 × 10¹⁷ J/sである。
• [Fe/H]の不確実性は、関心のある周波数範囲で𝒫に約10%の不確実性をもたらす。
• 開発された補間手法により、T_effとlog gが一致する2つの3次元シミュレーション間の任意の金属量における𝒫を信頼性高く推定可能であり、完全な3次元シミュレーションのグリッドを必要とせず、効率的なモデリングが可能になる。