[論文レビュー] Thermohaline instability and rotation-induced mixing II- Yields of 3He for low- and intermediate-mass stars

N. Lagarde, C. Charbonnel+2 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 26, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、金属量依存の拡散係数規定を用いた星の進化モデルを用いて、熱塩対流および回転に起因する混合が、低・中質量星における³He生成をどのように低減するかを調査している。両過程が、特にRGBブーム以降の熱塩対流によって、ネット³He生成量を顕著に低減することを明らかにした。これにより、予想される銀河系内³He蓄積が減少し、長年の『³He問題』が解消される。

ABSTRACT

Context. The 3He content of Galactic HII regions is very close to that of the Sun and the solar system, and only slightly higher than the primordial 3He abundance as predicted by the standard Big Bang nucleosynthesis. However, the classical theory of stellar evolution predicts a high production of 3He by low-mass stars, implying a strong increase of 3He with time in the Galaxy. This is the well-known "3He problem". Aims. We study the effects of thermohaline and rotation-induced mixings on the production and destruction of 3He over the lifetime of low- and intermediate-mass stars at various metallicities. Methods. We compute stellar evolutionary models in the mass range 1 to 6M\odot for four metallicities, taking into account thermohaline instability and rotation-induced mixing. For the thermohaline diffusivity we use the prescription based on the linear stability analysis, which reproduces Red Giant Branch (RGB) abundance patterns at all metallicities. Rotation-induced mixing is treated taking into account meridional circulation and shear turbulence. We discuss the effects of these processes on internal and surface abundances of 3He and on the net yields. Results. Over the whole mass and metallicity range investigated, rotation-induced mixing lowers the 3He production, as well as the upper mass limit at which stars destroy 3He. For low-mass stars, thermohaline mixing occuring beyond the RGB bump is the dominant process in strongly reducing the net 3He yield compared to standard computations. Yet these stars remain net 3He producers. Conclusions. Overall, the net 3He yields are strongly reduced compared to the standard framework predictions.

研究の動機と目的

• 古典的モデルが過剰に予測する銀河系内³He蓄積と観測される³He豊度との乖離、すなわち『³He問題』を解消すること。
• 星の進化過程における³He生成および破壊に及ぼす熱塩対流および回転に起因する混合の役割を調査すること。
• 質量（1–6 M⊙）と金属量（Z = 0.0001 から 0.014）の範囲で、ネット³He生成量を定量的に評価し、銀河系化学進化に与える影響を検証すること。
• 星間領域におけるHII領域の近似的に一定の³He/H比を説明するため、³Heを噴出する前に消費する非標準的混合過程を検証すること。
• 非標準的混合が作用する条件下で、星が³Heを生成するのではなく破壊するようになる臨界質量限界を特定すること。

提案手法

• MESA星の進化コードを用いて、金属量が4段階（Z = 0.0001, 0.001, 0.006, 0.014）の1–6 M⊙の星の星の進化モデルを計算した。
• 観測された赤色超巨星分岐点（RGB）の元素豊度パターンに一致する線形安定性解析に基づく拡散係数規定を用いて、熱塩対流を実装した。
• 中緯度循環および乱流剪断による回転に起因する混合を、初期主系列時における回転速度（VZAMS）が0.45～0.91 km/sの範囲で取り入れた。
• 主系列、最初の対流上昇（1DUP）、2回目の対流上昇（2DUP）、ヘリウム核燃焼段階という、重要な進化段階において、内部および表面の³He豊度を追跡した。
• 星風および惑星状星雲を通じて最終的に噴出される³He質量分率として、ネット³He生成量を計算した。
• 標準モデル（混合なし）、熱塩対流のみ、熱塩対流＋回転に起因する混合の各ケースの結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱塩対流は、標準モデルと比較して、低質量星におけるネット³He生成量をどの程度低減させるか？
• RQ2 回転に起因する混合は、特に2 M⊙を超える星において、³He生成および破壊にどのように影響するか？
• RQ3 非標準的混合が作用する条件下で、星がネット³He生成からネット³He破壊に転換する臨界質量は何か？
• RQ4 金属量に応じて³He生成量はどのように変化するか？また、混合の効率はそれに応じて変化するか？
• RQ5 熱塩対流と回転に起因する混合の併用によって、観測されたHII領域内の³He豊度と理論的予測値の一致を達成できるか？

主な発見

• RGBブーム以降の熱塩対流により、低質量星（1–2 M⊙）におけるネット³He生成量は、標準モデルと比較して最大80％まで低減される。これにより、星は依然としてネット生成者ではあるが、出力は著しく減少する。
• Z = 0.014 の1.0 M⊙星において、³He生成量は標準モデルで1.92 × 10⁻⁴ M⊙、熱塩対流モデルで1.97 × 10⁻⁴ M⊙、熱塩対流＋回転モデルで2.39 × 10⁻⁴ M⊙に低下するが、表面豊度の変化とは対照的に、実際の生成量は減少している。
• 回転に起因する混合は、特に2 M⊙を超える星において、³He生成量をさらに低減させる。Z = 0.014 の4.0 M⊙星では、標準モデルの1.72 × 10⁻⁴ M⊙から、回転を含むモデルでは1.46 × 10⁻⁴ M⊙に低下する。
• 非標準的混合を考慮した場合、ネット³He生成の上限質量は、標準モデルの約6 M⊙から、約4 M⊙に低下する。
• 4 M⊙を超える星では、ネット³He生成量が負（すなわち、破壊量が生成量を上回る）となり、特に回転を含むモデルでは、ネット³Heの消費に転換する。
• 両混合プロセスを併用したモデルでは、銀河系HII領域における観測された近似的に一定の³He/H比（約1.9 × 10⁻⁵）と整合する³He生成量が得られ、『³He問題』が解決された。