[논문 리뷰] Evolution and surface abundances of red giants experiencing deep mixing

Achim Weiß, Pavel A. Denissenkov외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 02. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저금속도 적색거탑에서의 깊은 혼합을 자기일관된 진화 모델을 사용하여 조사하여 관측된 표면 농도 비정상성, 특히 O-Na 역상관관계를 설명한다. 연구 결과, 관측과 일치하는 데에는 단지 약간의 헬륨 농도 증가(ΔY_env ≈ 0.05)만 필요하며, 이는 과도하게 비정상성을 초래하는 강한 헬륨 혼합을 배제한다. 반면, 깊은 헬륨 혼합 없이도 조기 수소 껍질 연소로 인해 극도로 높은 밝기를 얻을 수 있으며, 이는 파랑 수평지선 별과 관련이 있을 수 있다.

ABSTRACT

We have calculated the evolution of low metallicity red giant stars under the assumption of deep mixing between the convective envelope and the hydrogen burning shell. We find that the extent of the observed abundance anomalies, and in particular the universal O-Na anticorrelation, can be totally explained by mixing which does not lead to significant helium enrichment of the envelope. On the other hand, models with extremely deep mixing and strong helium enrichment predict anomalies of sodium and oxygen, which are much larger than the observed ones. This latter result depends solely on the nucleosynthesis inside the hydrogen burning shell, but not on the details of the mixing descriptions. These, however, influence the evolution of surface abundances with brightness, which we compare with the limited observational material available. Our models allow, nevertheless, to infer details on the depth and speed of the mixing process in several clusters. Models with strong helium enrichment evolve to high luminosities and show an increased mass loss. However, under peculiar assumptions, red giants reach very high luminosities even without extreme helium mixing. Due to the consequently increased mass loss, such models could be candidates for blue horizontal branch stars, and, at the same time, would be consistent with the observed abundance anomalies.

연구 동기 및 목표

• 저금속도 적색거탑에서 대류권과 수소 연소 껍질 사이의 깊은 혼합이 표면 농도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 관측된 농도 비정상성, 특히 O-Na 역상관관계와 일치하기 위해 대류권 내에서 강한 헬륨 농도 증가가 필요한지 여부를 규명하기 위해.
• 깊은 혼합의 진화적 영향, 즉 밝기 진화와 질량 손실를 평가하고, 이들이 파랑 수평지선 별에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 깊은 혼합으로 인한 핵합성 효과가 모델에 독립적인지, 그리고 혼합 깊이와 속도를 제약하는 데 어떻게 기여하는지 평가하기 위해.
• 자기일관된 진화 모델을 통해 관측된 농도 비정상성과 군집의 두 번째 매개변수 문제를 조율하기 위해.

제안 방법

• 대류권과 수소 연소 껍질 사이의 확산적 깊은 혼합을 포함한 저금속도 적색거탑의 전체 진화 시퀀스를 수립하였다.
• 자기일관된 모델 구조를 바탕으로 표면 농도를 결정하기 위해 후처리 핵합성 계산을 수행하였다.
• 혼합 조건(깊이 및 효율성)을 다양하게 변화시켜 헬륨 농도 증가와 농도 비정상성에 미치는 영향을 탐색하였다.
• Reimers형 질량 손실 조건을 적용하여 진화적 영향, 특히 적색거탑 정점에서의 밝기와 질량 손실를 평가하였다.
• 관측 데이터([O/Fe] 및 [Na/Fe] 농도)를 기반으로 M13 등 군집의 밝기 변화에 따른 농도 경향을 모델 예측과 비교하였다.
• 다양한 혼합 조건을 테스트하여 핵합성 결과의 모델 독립성을 평가하고, 혼합 세부 사항과는 별개로 핵반응의 역할을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 적색거탑에서의 O-Na 역상관관계와 일치하는 대류권 내 헬륨 농도 증가는 어느 정도인가?
• RQ2 강한 헬륨 농도 증가 없이 깊은 혼합이 관측된 농도 비정상성, 특히 적색거탑에서 CNO 원소의 진화를 설명할 수 있는가?
• RQ3 강한 헬륨 농도 증가를 동반한 극도로 깊은 혼합의 진화적 영향은 무엇인가, 특히 밝기와 질량 손실 측면에서?
• RQ4 관측된 농도 비정상성이 혼합 기술에 관계없이 깊은 혼합과 고도의 헬륨 농도 증가를 가진 모델을 배제하는가?
• RQ5 중간 정도의 혼합이지만 조기 수소 껍질 연소로 인해 강한 헬륨 혼합 없이도 높은 밝기를 얻을 수 있는가, 이는 파랑 수평지선 별을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 군집 내 적색거탑에서 관측된 O-Na 역상관관계는 최소한의 헬륨 농도 증가(ΔY_env ≈ 0.05)로도 완전히 설명 가능하며, 강한 헬륨 증가가 필요하지 않다.
• 극도로 깊은 혼합과 강한 헬륨 농도 증가를 가진 모델은 관측치를 훨씬 초월한 산소 감소와 나트륨 증가를 예측하므로, 데이터에 의해 이러한 모델은 배제된다.
• 핵합성 결과—특히 산소와 나트륨 비정상성의 크기—는 혼합 기술에 독립적이며, 오직 수소 연소 껍질 내 핵반응에 의해 결정된다.
• 극도로 깊은 헬륨 혼합 없이도, 조기 수소 껍질 연소로 인해 열이 충분히 높아져 급속한 연소가 일어나 혼합 속도를 앞서는 매우 높은 밝기를 얻을 수 있다.
• 이러한 고밝기 모델은 강한 질량 손실를 겪으며, 최종 질량가 0.6 M⊙ 미만, 대류권 질량가 오직 10% 수준이 되어 파랑 수평지선 별 후보로 타당하다.
• 극도로 극심한 O-Na 비정상성이 관측되지 않는 것은 선택 효과로 설명될 수 없으며, 깊은 혼합의 깊이와 속도가 제한되어 있음을 확인한다.