[논문 리뷰] Global 3D radiation-hydrodynamics models of AGB stars. Effects of convection and radial pulsations on atmospheric structures

B. Freytag, S. Liljegren외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 60인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 CO5BOLD를 이용하여 대주기성 3D 방사-유체역학 AGB 별 모델의 격자를 제시하고, 대류, 구동 및 충격을 자기 일치적으로 시뮬레이션하여 대기의 구조와 질량손실에 미치는 영향을 분석한다.

ABSTRACT

Context: Observations of asymptotic giant branch (AGB) stars with increasing spatial resolution reveal new layers of complexity of atmospheric processes on a variety of scales. Aim: To analyze the physical mechanisms that cause asymmetries and surface structures in observed images, we use detailed 3D dynamical simulations of AGB stars; these simulations self-consistently describe convection and pulsations. Methods: We used the CO5BOLD radiation-hydrodynamics code to produce an exploratory grid of global "star-in-a-box" models of the outer convective envelope and the inner atmosphere of AGB stars to study convection, pulsations, and shock waves and their dependence on stellar and numerical parameters. Results: The model dynamics are governed by the interaction of long-lasting giant convection cells, short-lived surface granules, and strong, radial, fundamental-mode pulsations. Radial pulsations and shorter wavelength, traveling, acoustic waves induce shocks on various scales in the atmosphere. Convection, waves, and shocks all contribute to the dynamical pressure and, thus, to an increase of the stellar radius and to a levitation of material into layers where dust can form. Consequently, the resulting relation of pulsation period and stellar radius is shifted toward larger radii compared to that of non-linear 1D models. The dependence of pulsation period on luminosity agrees well with observed relations. The interaction of the pulsation mode with the non-stationary convective flow causes occasional amplitude changes and phase shifts. The regularity of the pulsations decreases with decreasing gravity as the relative size of convection cells increases. The model stars do not have a well-defined surface. Instead, the light is emitted from a very extended inhomogeneous atmosphere with a complex dynamic pattern of high-contrast features.

연구 동기 및 목표

• 거대 대류 세포, 표면 거나(m Granulation?), 그리고 반지름 방향의 진동이 AGB 별 대기에서 어떻게 상호작용하는지 조사한다.
• 대류, 파동, 충Shock이 대기의 확장, 진동 주기 및 반지름 관계에 어떻게 기여하는지 평가한다.
• 3D 프레임워크에서 항성 매개변수와 회전에 따른 진동 특성의 의존성을 탐구한다.
• 3D 모델 결과를 1D 진동 모델과 관측치와 비교하여 주기-반지름 관계 및 P-L 경향을 평가한다.

제안 방법

• CO5BOLD 방사-유체역학을 사용해 대류, 진동, 충Shock를 포함한 전세계적 ‘star-in-a-box’ AGB 모델을 계산한다.
• 내부 항성 영역을 모방하기 위해 고정된 외부 중력을 가진 직교 격자와 매끄러운 핵 에너지원(core energy source)을 사용한다.
• R*, Teff, log g, 진동 특성을 정의하기 위해 시간- 및 각도 평균 quantities를 분석한다.
• Radial velocity의 푸리에 분석을 수행해 지배 진동 주파수와 그 분포를 유도한다.
• C- 및 M-type AGB 별의 관측된 주기-반지름 및 주기-광도 관계와 모델 출력을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전 세계 3D AGB 모델에서 대류와 진동의 특성은 무엇이며 이들이 어떻게 상호작용하는가?
• RQ2 대류, 음향 파동 및 충Shock이 대기의 부상과 먼지 형성 구역에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 진동 주기와 그 주파수 분포는 항성 매개변수와 중력에 어떻게 의존하며, 3D 결과는 1D 모델 및 관측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 회전이 AGB 대기의 대류와 진동에 어느 정도 영향을 주는가?

주요 결과

모델 이름	M_star (Msun)	M_env (Msun)	L_star (Lsun)	n_x × n_y × n_z	x_box	P_rot (yr)	t_avg (yr)	R_star (Rsun)	T_eff (K)	log g (cgs)	P_puls (yr)	sigma_puls (yr)
st28gm06n02	1.0	0.196	7079	127 3	1244	∞	11.01	437	2531	-0.85	1.400
st28gm06n03	1.0	0.188	6589	171 3	1674	∞	2.41	400	2599	-0.77	1.379
st28gm06n05	1.0	0.187	8144	171 3	1674	∞	2.06	423	2664	-0.82	1.775
st28gm06n06	1.0	0.186	6905	171 3	1674	∞	4.48	430	2538	-0.83	1.420
st28gm06n13	1.0	0.181	6932	281 3	1381	∞	29.96	384	2687	-0.73	1.479
st28gm06n16	1.0	0.178	6582	401 3	1381	∞	23.30	395	2616	-0.76	1.376
st28gm06n18	1.0	0.182	6781	401 3	1970	∞	26.75	395	2635	-0.76	1.325
st28gm06n24	1.0	0.182	6944	281 3	1381	∞	23.77	372	2733	-0.71	1.262
st28gm06n25	1.0	0.182	6890	401 3	1970	∞	23.77	372	2727	-0.71	1.388
st28gm06n29	1.0	0.182	6956	281 3	1381	20	25.35	384	2688	-0.73	1.297
st28gm06n30	1.0	0.182	6951	281 3	1381	10	25.34	395	2652	-0.76	1.327
st28gm07n001	1.0	0.176	10028	281 3	1381	∞	30.90	531	2506	-1.02	2.247
st26gm07n002	1.0	0.544	6986	281 3	1381	∞	25.35	437	2524	-0.85	1.625
st26gm07n001	1.0	0.315	6953	281 3	1381	∞	27.74	400	2635	-0.77	1.416
st28gm06n26	1.0	0.182	6955	281 3	1381	∞	25.35	371	2737	-0.70	1.290
st29gm06n001	1.0	0.109	6948	281 3	1381	∞	25.35	348	2822	-0.65	1.150
st27gm06n001	1.0	0.548	4982	281 3	1381	∞	28.53	345	2610	-0.64	1.230
st28gm05n002	1.0	0.262	4978	281 3	1381	∞	25.35	313	2742	-0.56	1.077
st28gm05n001	1.0	0.182	4990	281 3	1381	∞	25.36	300	2798	-0.52	1.026
st29gm04n001	1.0	0.141	4982	281 3	1381	∞	25.35	294	2827	-0.50	0.927

• 대류는 거대 셀과 비정상적 하강류를 형성해 글로벌 디폴라(dipolar) 흐름을 유도하고 확장되고 비균질한 바깥 대기를 만들어낸다.
• 반지름 방향의 진동 및 traveling acoustic waves는 다중 규모의 충 Shock를 생성해 재료를 먼지 형성 영역으로 들어 올려 대기 확장을 증가시킨다.
• 진동 주기는 반지름과 광도와 상관관계가 있으며, 3D 모델은 주기에 대해 주어진 경우 일부 1D 관계보다 더 큰 반지름을 산출하여 관측된 P-L 경향과 질적 일치를 보인다.
• 진동과 대류 큰 셀 간의 상호작용으로 진폭 변화와 위상 이동이 발생하며, 대류 구조가 더 큰 경우 더 큰 모드 확산이 나타난다.
• 정의된 3D 표면은 없고, 빛은 확장되고 비균질한 대기에서 고대비 특징으로부터 나온다.
• 지배적인 내부 진동 모드는 일관되지만, 외층 대기는 대류–진동 결합으로 인해 낮은 주파수의 덜 규칙적인 신호를 보인다.