[논문 리뷰] Mixing and nucleosynthesis in rotating TP-AGB stars

N. Langer, Alexander Heger외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 04. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 펄스를 반복하는 거대가지가지 브런치 단계(TP-AGB)에서의 중간질량 별의 첫 번째 진화 모델을 제시하며, 이는 자전에 의해 유도되는 혼합을 포함한다. 연구는 자전에 의한 운동량 이동과 화학적 인터페이스 경계에서의 혼합—특히 제3의 덮개업그레이드 동안—이 13C 농도가 높은 층을 형성할 수 있음을 보여주며, 이 층이 13C(α,n) 반응을 통해 s-과정을 촉진함으로써 최종적으로 50 km/s까지의 자전 속도를 보이는 백색왜성에서 관측된 s-과정 핵형성학을 설명한다.

ABSTRACT

We present the first evolutionary models of intermediate mass stars up to their thermal pulses which include effects of rotation on the stellar structure as well as rotationally induced mixing of chemical species and angular momentum. We find a significant angular momentum transport from the core to the hydrogen-rich envelope and obtain a white dwarf rotation rate comparable to current observational upper limits of 50 km/s. Large angular momentum gradients at the bottom of the convective envelope and the tip of the pulse driven convective shell are shown to produce marked chemical mixing between the proton-rich and the 12C-rich layers during the so called third dredge-up. This leads to a subsequent production of 13C which is followed by neutron production through 13C(alpha,n) in radiative layers in between thermal pulses. Although uncertainties in the efficiency of rotational mixing processes persist, we conclude that rotation is capable of producing a 13C-rich layer as required for the occurrence of the s-process in TP-AGB stars.

연구 동기 및 목표

• 중간질량 별의 TP-AGB 단계에서 자전의 혼합 및 핵형성학적 역할을 조사하기 위해.
• 자전이 TP-AGB 별에서 s-과정을 위한 필수 조건인 13C 농도가 높은 층을 생성할 수 있는지 판단하기 위해.
• 핵심에서 수소가 풍부한 외피로의 운동량 이동을 모델링하고 그 영향을 항성의 자전 프로파일에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 자전에 의한 혼합의 효율성이 중성자 생성을 가능하게 하는 화학적 기울기를 형성하는 데 기여하는 정도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 중간질량 별(최대 8 M☉)의 TP-AGB 단계를 수치적으로 진화시키기 위해 항성 구조 및 진화 코드를 사용한다.
• 항성 내부에 자전에 의해 유도되는 혼합 과정(예: 순환 흐름 및 비틀림 혼합)을 포함한다.
• 자기 불안정성에 의해 핵심에서 수소가 풍부한 외피로 운동량 이동을 모델링한다.
• 제3의 덮개업그레이드 기간 동안 대류 외피와 12C 농도가 높은 복사층 사이의 인터페이스에서 화학적 혼합을 시뮬레이션한다.
• 열역학적 펄스 사이 기간에 13C(α,n) 반응을 통해 중성자 원천 생성을 계산한다.
• 예측된 백색왜성 자전 속도를 관측된 상한선 약 50 km/s와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자전은 TP-AGB 별에서 s-과정을 위해 필요한 13C 농도가 높은 층 형성에 충분한 혼합을 유도할 수 있는가?
• RQ2 자전에 의한 운동량 이동이 TP-AGB 별의 자전 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 대류 외피의 기저와 펄스에 의해 유도된 대류 셸의 정상에서 화학적 혼합이 s-과정을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 자전은 관측된 백색왜성 자전 속도를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 자전에 의한 혼합 과정은 펄스 사이 기간에 13C(α,n) 반응을 통한 중성자 생성 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자전은 핵심에서 수소가 풍부한 외피로 상당한 운동량 이동을 유도하며, 이는 관측된 상한선 50 km/s와 유사한 백색왜성 자전 속도를 초래한다.
• 대류 외피 기저와 펄스에 의해 유도된 대류 셸의 정상에서 큰 운동량 기울기가 발생하여, 프로톤 농도가 높은 층과 12C 농도가 높은 층 사이의 강한 화학적 혼합을 유도한다.
• 이 혼합은 대류 외피 아래의 복사층에서 13C 농도가 높은 층 형성으로 이어지며, 이는 s-과정에 필수적이다.
• 이 복사층에서의 13C(α,n) 반응은 펄스 사이 기간에 중성자를 생성하며, 이는 s-과정 핵형성학을 가능하게 한다.
• 혼합 효율성에 대한 불확실성에도 불구하고, 자전은 TP-AGB 별에서 s-과정을 위한 필수 조건을 만족시킬 수 있음을 입증한다.
• 이 모델은 중간질량 별에서 자전, 혼합, s-과정 핵형성학을 연결하는 물리적 메커니즘을 제공한다.