[논문 리뷰] Evolution of asymptotic giant branch stars I. Updated synthetic TP-AGB models and their basic calibration

Paola Marigo, L. Girardi|ArXiv.org|2007. 03. 07.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 68인용 수 229

한 줄 요약

이 논문은 저질량 및 중간질량 항성(0.5–5.0 M⊙, Z = 0.0001–0.03)을 대상으로 변동하는 분자 투과율, 향상된 질량 손실 규정, 캘리브레이션된 제3중간 끓임 효율을 사용하여 업데이트된 합성 TP-AGB 모델을 제시한다. 이 모델들은 마젤란 은하 은하단의 탄소 항성 밝기 함수와 항성 수를 성공적으로 재현하며, 금속성에 걸쳐 일관되고 캘리브레이션된 프레임워크를 제공하여 인구 합성 및 통합 빛 모델링에 기여한다.

ABSTRACT

We present new synthetic models of the TP-AGB evolution. They are computed for 7 values of initial metal content (Z from 0.0001 to 0.03) and for initial masses between 0.5 and 5.0 Msun, thus extending the low- and intermediate-mass tracks of Girardi et al. (2000) until the beginning of the post-AGB phase. The calculations are performed by means of a synthetic code that incorporates many recent improvements, among which we mention: (1) the use of detailed and revised analytical relations to describe the evolution of quiescent luminosity, inter-pulse period, third dredge-up, hot bottom burning, pulse cycle luminosity variations, etc.; (2) the use of variable molecular opacities -- i.e. opacities consistent with the changing photospheric chemical composition -- in the integration of a complete envelope model, instead of the standard choice of scaled-solar opacities; (3) the use of formalisms for the mass-loss rates derived from pulsating dust-driven wind models of C- and O-rich AGB stars; and (4) the switching of pulsation modes between the first overtone and the fundamental one along the evolution, which has consequences in terms of the history of mass loss. It follows that, in addition to the time evolution on the HR diagram, the new models predict in a consistent fashion also variations in surface chemical compositions, pulsation modes and periods, and mass-loss rates. The onset and efficiency of the third dredge-up process are calibrated in order to reproduce basic observables like the carbon star luminosity functions in the Magellanic Clouds, and TP-AGB lifetimes (star counts) in Magellanic Cloud clusters. Forthcoming papers will present the theoretical isochrones and chemical yields derived from these tracks, and additional tests performed with the aid of a complete population synthesis code.

연구 동기 및 목표

• 마젤란 은하에서의 주요 관측 제약 조건을 재현할 수 있는 자기 일관성 있는 합성 TP-AGB 진화 모델을 개발하기 위해.
• 고정된 비례 태양 성분 투과율에서 오는 오류를 수정하기 위해 분자 투과율을 변화시키고 조성에 따라 의존하도록 개선하기 위해.
• 마젤란 은하 은하단의 관측된 밝기 함수와 항성 수를 이용하여 제3중간 끓임과 질량 손실 과정을 캘리브레이션하기 위해.
• 기존의 ZAMS에서 TP-AGB로의 진화 트랙과의 원활한 통합을 통해 전체 인구 합성 응용에 기여하기 위해.
• 기본 모드와 첫 번째 과도 모드 간의 진동 모드 전환과 그가 질량 손실 역사를 어떻게 영향을 주는지 포함하기 위해.

제안 방법

• 모델은 핵 질량-빛의 강도 관계, 펄스 간 간격, 펄스 사이클 변화와 같은 세부 별 모델에서 유도된 분석적 관계를 통합한 합성 코드를 사용하여 계산된다.
• 변동하는 분자 투과율이 엔벨로프 진화 全 과정에서 사용되며, 제3중간 끓임과 핫-보텀 연소로 인해 변화하는 C/O 및 C/N 비율에 따라 적응한다.
• C-rich 및 O-rich AGB 항성 모두에 대해 진동하는-dust-기반 풍속 모델에서 유도된 질량 손실률을 사용한다.
• 기본 모드와 첫 번째 과도 모드 간의 진동 모드 전환은 진화 트랙 전반에 걸쳐 동적으로 모델링되며, 질량 손실 역사를 영향을 미친다.
• 제3중간 끓임 효율은 마젤란 은하 은하단에서 관측된 탄소 항성 밝기 함수와 M-형 및 C-형 항성 수를 사용하여 캘리브레이션된다.
• 예측된 TP-AGB 수명과 밝기와 관측된 항성 수 및 통합 빛 행동을 비교하여 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 비례 태양 성분 투과율 대비 변동하는 분자 투과율을 사용할 경우 TP-AGB 항성의 진화 및 관측 가능한 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 LMC와 SMC에서 관측된 탄소 항성 밝기 함수를 재현하기 위해 필요한 제3중간 끓임 효율 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 기본 모드와 첫 번째 과도 모드 간의 진동 모드 전환은 질량 손실률과 그로 인한 진화 트랙에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 업데이트된 질량 손실 및 끓임 규정을 사용할 경우 마젤란 은하 은하단에서 관측된 TP-AGB 수명을 재현할 수 있는가?
• RQ5 핫-보텀 연소와 금속성 변화는 TP-AGB 단계에서 M형 항성에서 C형 항성으로의 전이에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 변동하는 분자 투과율을 사용하면 C-rich AGB 항성의 진화, 특히 적색 밝기 영역에서 긴장된 오류를 수정하는 데 있어 상당한 영향을 미친다.
• 캘리브레이션된 제3중간 끓임 효율은 LMC 및 SMC 양쪽 모두에서 관측된 탄소 항성 밝기 함수를 성공적으로 재현하며, 초기 질량 약 1.7–2.5 M⊙ 및 Z ≈ 0.008인 항성에서 특히 그렇다.
• 제3중간 끓임의 시작이 지연될 경우에만 LMC 은하단에서 M-형 항성의 수명 피크를 재현할 수 있으며, 이는 K02의 M_c^min(M,Z) 형식과 일치한다.
• 마젤란 은하에서 초기 질량이 증가함에 따라 C-형 항성의 수명이 감소하는 것은 더 높은 밝기(초기 슈퍼윈드 시작)와 질량이 큰 항성에서의 핫-보텀 연소의 조합으로 설명된다.
• 기본 모드와 첫 번째 과도 모드 간의 진동 모드 전환을 포함함으로써 질량 손실 역사 예측의 일관성이 향상되고, 변동성 조사와의 새로운 캘리브레이션 가능성을 열어준다.
• 합성 트랙은 이전의 ZAMS에서 TP-AGB 모델(Girardi et al. 2000)과 원활하게 연결되어 핵 질량과 표면 조성의 연속성을 유지하며, ZAMS에서 백색왜성 단계까지의 전체 인구 합성 응용을 가능하게 한다.