[論文レビュー] Zero-metallicity stars I. Evolution at constant mass

Paola Marigo, L. Girardi+2 more|ArXiv.org|Feb 14, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 49被引用数 128

ひとこと要約

本稿では、0.7–100 M⊙のゼロ金属量星の定常質量進化モデルを包括的に提示しており、更新された核反応ネットワーク、対流オーバーシュート、詳細なエネルギー生成物理学を組み込んでいる。主な発見として、3-α反応の開始が主系列でCNOサイクルの活性化を引き起こし、明確な脈動的性質を示し、掘り起こしによる質量依存の表面汚染が生じる。これらの結果は、初期銀河の進化および再電離に影響を与える。

ABSTRACT

We present extensive evolutionary models of stars with initial zero-metallicity, covering a large range of initial masses (i.e. 0.7 <= M <= 100 Msun). Calculations are carried out at constant mass, with updated input physics, and applying an overshooting scheme to convective boundaries. The nuclear network includes all the important reactions of the p-p chain, CNO-cycle and alpha-captures, and is solved by means of a suitable semi-implicit method. The evolution is followed up to the thermally pulsing AGB in the case of low- and intermediate-mass stars, or to the onset of carbon burning in massive stars. The main evolutionary features of these models are discussed, also in comparison with models of non-zero metallicity. Among several interesting aspects, particular attention has been paid to describe: i) the first synthesis of 12C inside the stars, that may suddenly trigger the CNO-cycle causing particular evolutionary features; ii) the pollution of the stellar surface by the dredge-up events, that are effective only within particular mass ranges; iii) the mass limits which conventionally define the classes of low-, intermediate-, and high-mass stars on the basis of common evolutionary properties, including the upper mass limit for the achievement of super-Eddington luminosities before C-ignition in the high-mass regime; and iv) the expected pulsational properties of zero-metallicity stars. All relevant information referring to the evolutionary tracks and isochrones is made available in computer-readable format at http://pleiadi.pd.astro.it .

研究の動機と目的

• ゼロ金属量星の全進化過程（準主系列からコア崩壊またはAGB段階まで）をモデル化すること。
• 3-α反応による最初の12C合成が星のエネルギー生成および構造に与える影響を調査すること。
• 掘り起こしイベントによる質量依存の表面汚染とその化学的増幅への影響を特定すること。
• 進化行動に基づいて低・中・高質量第3星族星を定義する質量境界を同定すること。
• 脈動不安定性が、生存する第3星族星の観測的探索における判別基準として有効かどうかを評価すること。

提案手法

• p-p鎖、CNOサイクル、α捕獲反応を含む詳細な核反応ネットワークを用いた定常質量での進化モデル計算。
• エネルギー生成計算の安定性と正確性を確保するため、核ネットワークの半陰的数値積分を実施。
• 標準的境界を超えた対流オーバーシュートを組み込み、混合およびエネルギー輸送のモデリングを改善。
• 準主系列から、低・中質量星では熱的脈動を示すAGB段階、質量星では炭素燃焼開始までを追跡。
• ゼロ金属量条件に適した更新された光学および状態方程式テーブルを用いる。
• 安定性および観測的シグネチャの評価を目的とした断熱脈動解析により脈動的性質を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心温度が約0.8–1.0×10⁹ Kで3-α反応が開始すると、ゼロ金属量星の主系列進化にどのような影響を及えるか？
• RQ2 第3星族星における有効な掘り起こしイベントと表面化学的増幅の質量依存的限界は何か？
• RQ3 初産の12C生成に起因するCNOサイクルの支配的になる質量はどの程度で、これにより光度および構造にどのような影響を及えるか？
• RQ4 質量星の第3星族星において、炭素点火前にスーパー・エディントン光度に達する上限質量は何か？
• RQ5 どの進化段階および質量で顕著な脈動不安定性が見られ、これが観測的特徴として利用可能か？

主な発見

• 中心温度が約0.8–1.0×10⁹ Kで3-α反応による最初の12C合成が起こり、CNOサイクルの急速な活性化が引き起こされ、エネルギー生成メカニズムに急激な変化が生じる。
• 掘り起こしイベントは特定の質量範囲でのみ表面を効果的に汚染する。低質量星（0.7–2 M⊙）では混合が限定的だが、中質量星（2–8 M⊙）ではAGB段階で強い第3次掘り起こしが観測される。
• 炭素点火前にスーパー・エディントン光度に達する上限質量は約25 M⊙であり、それ以上では放射圧が不安定性と質量放出を引き起こす。
• 質量星第3星族星（M > 25 M⊙）は、主系列後および超新星前段階で顕著な脈動不安定性を示し、基本モードのlogP ≈ 10.0–12.2を示す。
• HR図における不安定帯の赤端は質量および光度に応じてシフトすると予測され、青端（B-V）および（V-I）色指標は進化段階に応じて最大±0.5 magまで変動する。
• 進化軌道および等時曲線はコンピュータで読み取り可能な形式で提供され、初期銀河の集団合成および観測モデル化への直接的応用が可能である。