[논문 리뷰] Mixing processes during the evolution of red giants with moderate metal deficiencies : the role of molecular-weight barriers

C. Charbonnel, Jeffery A. Brown외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 12. 16.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 리튬, 탄소 및 질소 동위원소의 정밀한 농도 측정과 12C/13C 및 12C/14N 비율을 통해 중성도가 낮은 적색 거성에서의 추가 혼합 과정을 조사한다. 분석 결과 분자량 장벽—특히 임계 mu-기울기—가 관측된 12C/13C 비율의 감소(20에서 7로)와 적색거성 브런치에서 리튬 농도 감소를 설명하며, 이는 회전에 의해 구동되는 수직 순환 흐름이 추가 혼합의 원인임을 강력히 시사한다.

ABSTRACT

We have assembled accurate abundance data for Li, C, and N as well as the 12C/13C ratio for five field giants with [Fe/H]=-0.6 including Arcturus and two stars in the globular cluster 47 Tuc. Using their very precise Mbol values obtained from HIPPARCOSparallaxes, we can place them into an evolutionary sequence. The sequence shows that the 12C/13C ratios ratios drops from 20 to near 7 between Mbol=+1 and +0.5, while Li disappears. At the same time the 12C/14N ratio diminishes by 0.2 to 0.4 dex. The two stars in 47 Tuc with Mbol near -2.0 show even lower 12C14N ratios by 0.4 dex indicating further mixing as they evolved to the top of the red giant branch. These observations confirm the existence of an extra-mixing process that becomes efficient on the red giant branch only when the low-mass stars reach the so-called luminosity function bump. We use the values of the carbon isotopic ratio observed in our sample to get constraints on the mu-barriers that may shield the central regions of a star from extra-mixing. We show that the same value of the critical gradient of molecular weight leads to 12C/13C ratios observed at different metallicities. This ``observational critical mu-gradient'' is in very good agreement with the one which is expected to stabilize meridional circulation. This result provides strong clues on the nature of the extra-mixing which occurs on the RGB, and indicates that it is related to rotation.

연구 동기 및 목표

• 중성도가 중간 수준인 저질량 적색거성에서의 추가 혼합 과정의 기원을 이해하는 것.
• 분자량 장벽이 적색거성에서 관측된 동위원소 농도 경향을 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 수직 순환 흐름을 안정화시키고 혼합을 억제하는 데 필요한 임계 분자량 기울기(mu-기울기)를 제약하는 것.
• 관측된 농도 패턴을 적색거성 진화 이론에서의 회전에 의해 구동되는 혼합 모델과 연결하는 것.
• 다양한 금속성에서 동일한 임계 mu-기울기가 적용되는지, 현장 거성과 군집 성들을 통해 검증하는 것.

제안 방법

• Fe/H = -0.6인 다섯 개의 현장 거성(아크투루스 및 47 Tuc 성단의 성들을 포함)에서 리튬, 탄소 및 질소 동위원소의 고정밀 농도 데이터를 확보하였다.
• HIPPARCOS 정밀 파라렐렉스를 사용하여 정확한 절대 등급(Mbol)을 유도함으로써 성들이 적색거성 브런치 진화 시퀀스 상에 정확히 배치되도록 하였다.
• 광도에 따른 동위원소 비율 변화를 추적하여 추가 혼합의 시작 시점과 효율성을 규명하였다.
• 분자량 기울기에 의해 안정화된 수직 순환 흐름 이론 모델과 관측된 12C/13C 및 12C/14N 경향을 비교하였다.
• 관측된 혼합 시작 시점에서 '관측된 임계 mu-기울기'를 계산하고, 수직 순환 흐름을 안정화시키는 데 이론적으로 예측된 값과 비교하였다.
• Mbol ≈ -2.0인 47 Tuc의 성들을 이용하여 광도 함수 볼록부에서 더 깊은 혼합을 탐색함으로써 고광도 영역까지 제약 조건을 연장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성도가 낮은 별에서 적색거성 브런치에서 12C/13C 비율이 약 20에서 약 7로 감소하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 왜 리튬 농도 감소가 이들 별에서 12C/13C 비율 감소와 동시에 발생하는가?
• RQ3 광도 함수 볼록부에서 추가 혼합이 시작되는 것을 분자량 장벽이 설명할 수 있는가?
• RQ4 관측 기반으로 도출된 수직 순환 흐름을 안정화시키는 데 필요한 임계 분자량 기울기는 무엇인가?
• RQ5 관측된 동위원소 경향에 따르면, 동일한 임계 mu-기울기가 다양한 금속성에서 적용되는가?

주요 결과

• Mbol = +1에서 +0.5 사이에서 12C/13C 비율이 약 20에서 약 7로 감소하여 적색거성 브런치에서의 상당한 추가 혼합을 시사한다.
• Mbol ≈ +0.5인 별들에서 리튬이 농도 감소하며, 이는 추가 혼합의 시작과 12C/13C 비율 감소와 정확히 일치한다.
• Mbol = +1에서 +0.5 사이에서 12C/14N 비율이 0.2에서 0.4 dex 감소하여 CNO 순환을 거친 물질의 강화된 혼합을 확인한다.
• Mbol ≈ -2.0인 47 Tuc의 별들은 12C/14N 비율이 추가로 0.4 dex 감소하여 광도 함수 볼록부에서 더 깊은 혼합이 일어남을 시사한다.
• 혼합을 억제하는 데 필요한 관측된 '임계 mu-기울기'는 수직 순환 흐름을 안정화시키는 데 이론적으로 예측된 값과 뛰어난 일치를 보인다.
• 다양한 금속성에서 임계 mu-기울기가 일관되게 유지됨을 고려할 때, 이는 회전에 의해 구동되는 수직 순환 흐름이 이들 별에서 추가 혼합의 주요 메커니즘이라는 해석을 뒷받침한다.