[論文レビュー] Thermohaline instability and rotation-induced mixing. I - Low- and intermediate-mass solar metallicity stars up to the end of the AGB

C. Charbonnel, N. Lagarde|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 90被引用数 139

ひとこと要約

本研究は、太陽金属量の低・中質量星（1–4 M⊙）における 3He 燶焼と回転誘発混合の駆動する熱塩分混合を調査し、赤巨星におけるRGBバンプ以降の観測されたLi、C/N、および 12C/13C の傾向を熱塩分混合が説明できることを示している。一方、回転は熱塩分混合の発生を促進し、特に中質量星におけるCN処理物質の星間差に寄与している。

ABSTRACT

(abridged) Numerous spectroscopic observations provide compelling evidence for non-canonical processes that modify the surface abundances of low- and intermediate-mass stars beyond the predictions of standard stellar theory. We study the effects of thermohaline instability and rotation-induced mixing in the 1-4 Msun range at solar metallicity. We present evolutionary models by considering both thermohaline and rotation-induced mixing in stellar interior. We discuss the effects of these processes on the chemical properties of stars from the zero age main sequence up to the end of the second dredge-up on the early-AGB for intermediate-mass stars and up to the AGB tip for low-mass stars. Model predictions are compared to observational data for lithium,12C/13C,[N/C],[Na/Fe],16O/17O, and 16O/18O in Galactic open clusters and in field stars with well-defined evolutionary status,as well as in planetary nebulae. Thermohaline mixing simultaneously accounts for the observed behaviour of 12C/13C,[N/C], and lithium in low-mass stars that are more luminous than the RGB bump, and its efficiency is increasing with decreasing initial stellar mass. On the TP-AGB,thermohaline mixing leads to lithium production, although the 7Li yields remain negative. Although the 3He stellar yields are much reduced thanks to this process, we find that solar-metallicity, low-mass stars remain net 3He producers. Rotation-induced mixing is found to change the stellar structure so that in the mass range between \sim 1.5 and 2.2 Msun the thermohaline instability occurs earlier on the red giant branch than in non-rotating models. Finally rotation accounts for the observed star-to-star abundance variations at a given evolutionary status, and is necessary to explain the features of CN-processed material in intermediate-mass stars.

研究の動機と目的

• 標準的星形成理論を超える低・中質量星の表面組成に影響を与える非標準的混合過程を理解すること。
• 最初のドリフトアップ以降の表面組成を変化させる 3He(3He,2p)4He 反応によって引き起こされる熱塩分不安定性の役割を調査すること。
• 回転誘発混合が星の構造をどのように変化させ、熱塩分混合の発生と効率に影響を与えるかを評価すること。
• オープンクラスタ、フィールドの赤巨星、および惑星状星雲におけるLi、12C/13C、[N/C]、[Na/Fe]、酸素同位体比の観測データとモデル予測を一致させること。
• 熱塩分混合と回転誘発混合を組み合わせた状況下での 3He および 7Li の純収量を決定し、銀河核合成に与える影響を評価すること。

提案手法

• 太陽金属量の 1–4 M⊙ 星に対して、熱塩分混合と回転誘発混合を含めた星の進化モデルを計算した。
• 熱塩分拡散率は Ulrich (1972) の規定を用い、実験室の実験で裏付けられ、かつ低金属量星においても成功した。
• 回転誘発混合は、内部組成を変化させ、対流駆動混合の発生を遅らせる乱流拡散率形式で実装した。
• モデルは零星主系列から第2次ドリフトアップ（初期AGB）まで、一部のケースではAGBの頂点まで進化させた。
• 表面組成の観測データ（Li、12C/13C、[N/C]、[Na/Fe]、16O/17O、16O/18O）と予測値を比較した。
• 核反応速度は NACRE からの値を用い、14C(p,γ)15N、14C(p,n)14N、14C(p,α)11B、14N(p,γ)15O など、一部の反応は専門文献からの値を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱塩分混合は、RGBバンプ以降の低質量巨星における 12C/13C の低下と [N/C] の増加をどの程度説明できるか？
• RQ2 回転誘発混合は、中質量星（1.5–2.2 M⊙）における熱塩分混合の発生タイミングと効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 同じ質量と進化段階にある星々の間で観測された表面組成の分散は、回転誘発混合によって説明可能か？
• RQ4 熱塩分混合と回転誘発混合を含めた低質量星における 3He および 7Li の純収量は何か？
• RQ5 熱塩分混合と回転誘発混合は、進化した星における酸素同位体比（16O/17O および 16O/18O）にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 熱塩分混合は、RGBバンプ以降の明るさの高い低質量巨星において、観測された 12C/13C の低下、[N/C] の増加、およびリチウムの枯渇を同時に再現する。
• 熱塩分混合の効率は初期星質量が小さいほど高くなり、2.2 M⊙ 未満の星で最も顕著な効果を示す。
• TP-AGB段階では、熱塩分混合がリチウムの生成を引き起こすが、7Li の純収量は依然として負のままであり、これらの星は銀河にリチウムを豊かにしない。
• 熱塩分混合による 3He 減少が顕著であるが、太陽金属量の低質量星は生涯を通じて 3He の純生産星のままである。
• 回転誘発混合は、質量が約 1.5–2.2 M⊙ の星において、非回転モデルと比較して赤巨星における熱塩分混合の発生を前倒しにする。
• 表面組成の星間差を説明するには回転が必要であり、中質量星におけるCN処理物質の再現にも不可欠である。