[논문 리뷰] 3D hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars: I. Atmospheric structure of a giant located near the RGB tip

H.‐G. Ludwig, A. Kučinskas|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 3인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 적색거대성의 RGB 정점 근처(Teff=3660 K, log g=1.0, [M/H]=0.0)에서 3차원 유체역학적 CO5BOLD 모델을 제시하며, 18%의 밝기 대비와 강한 충격파(Mach ~2.5 수직, ~6.0 횡방향)를 가지는 격자 패tern을 드러낸다. 난류 압력은 총 압력의 최대 35%를 차지하여, 혼합길이 매개변수와 난류 압력을 어떤 조합으로도 표준 1차원 모델로 3차원 온도 구조를 재현할 수 없음을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the character and role of convection in the atmosphere of a prototypical red giant located close to the red giant branch (RGB) tip with atmospheric parameters, Teff=3660K, log(g)=1.0, [M/H]=0.0. Differential analysis of the atmospheric structures is performed using the 3D hydrodynamical and 1D classical atmosphere models calculated with the CO5BOLD and LHD codes, respectively. All models share identical atmospheric parameters, elemental composition, opacities and equation-of-state. We find that the atmosphere of this particular red giant consists of two rather distinct regions: the lower atmosphere dominated by convective motions and the upper atmosphere dominated by wave activity. Convective motions form a prominent granulation pattern with an intensity contrast (~18%) which is larger than in the solar models (~15%). The upper atmosphere is frequently traversed by fast shock waves, with vertical and horizontal velocities of up to Mach ~2.5 and ~6.0, respectively. The typical diameter of the granules amounts to ~5Gm which translates into ~400 granules covering the whole stellar surface. The turbulent pressure in the giant model contributes up to ~35% to the total (i.e., gas plus turbulent) pressure which shows that it cannot be neglected in stellar atmosphere and evolutionary modeling. However, there exists no combination of the mixing-length parameter and turbulent pressure that would allow to satisfactorily reproduce the 3D temperature-pressure profile with 1D atmosphere models based on a standard formulation of mixing-length theory.

연구 동기 및 목표

• 3차원 유체역학적 모델링을 통해 RGB 정점 근처의 적색거대성 대기 구조를 조사한다.
• 1차원 혼합길이 이론(MLT)이 거대 항성의 3차원 대류 효과를 재현하는 데 한계를 갖는지 평가한다.
• 난류 압력과 파동 활동이 항성 대기 구조에 미치는 역할을 정량화한다.
• 동일한 입력 매개변수(투과도, 조성, 상태방정식)를 사용하여 3차원 유체역학적 결과와 전통적 1차원 모델을 직접 비교한다.
• 1차원 모델이 혼합길이 매개변수 αMLT와 P_turb를 조정함으로써 3차원 압력-온도 구조를 재현할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 구형 기하학에서 복사-유체역학 방정식을 해결하기 위해 CO5BOLD 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션.
• 동일한 대기 매개변수, 조성, 투과도, 상태방정식을 사용하여 LHD 코드로 1차원 모델 대기 구조를 계산하여 직접 비교.
• 3차원 및 1차원 모델 간의 온도, 압력, 속도, 밝기 구조의 차이 분석.
• 3차원 모델 표면 밝기 맵에서 밝기 대비 및 격자 크기를 계산.
• 1차원 엔트로피 프로파일을 보간하여 3차원 모델과 일치하는 효과적 혼합길이 매개변수(αMLT)를 유도.
• 난류 압력 기여도가 대기 구조에 미치는 영향과 총 압력에 대한 기여도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색거대성의 3차원 대류 구조는 태양과 비교해 격자 패턴과 밝기 대비 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 난류 압력이 적색거대성의 대기 구조에 미치는 영향은 어느 정도이며, 이를 1차원 모델에서 재현할 수 있을까?
• RQ3 1차원 모델에서 αMLT와 난류 압력을 어떤 조합으로도 3차원 압력-온도 프로파일을 재현할 수 있을까?
• RQ4 이 거대성의 상층 대기에서의 충격파 역학은 태양 대기와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 1차원 프레임워크에서 3차원 모델의 엔트로피 구조를 일치시키기 위해 필요한 효과적 혼합길이 매개변수는 얼마일까?

주요 결과

• 3차원 모델은 표면 격자 패턴을 보이며, 밝기 대비가 약 18%로 태양의 약 15%를 초과한다.
• 거대성 모델의 격자는 평균 직경 약 5 Gm이며, 항성 표면에 약 400개의 격자가 분포한다.
• 상층 대기에서의 충격파는 수직 방향으로 약 2.5, 횡방향으로 약 6.0의 마하 수를 기록하여 태양보다 훨씬 강력하다.
• 외부 층에서 난류 압력은 총 압력의 최대 약 35%를 차지하여 대기 구조에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 1차원 모델에서 αMLT와 난류 압력을 어떤 조합으로도 3차원 압력-온도 프로파일을 재현할 수 없으며, 이는 표준 MLT의 근본적인 한계를 드러낸다.
• 1차원 보간을 통해 유도된 효과적 혼합길이 매개변수는 αMLT=1.8이지만, 이는 αMLT와 난류 압력 간의 상호작용으로 인해 유일한 해답이 아니라는 점에서 비유일적이다.