[논문 리뷰] New Solar Models Including Helioseismological Constraints and Light-Element Depletion

O. Richard, S. Vauclair외 2명|arXiv (Cornell University)|1996. 01. 24.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 태양 내부 구조와 관측된 리튬 및 베릴륨 농도 감소를 조화시키기 위해 헬리오세이즘학적 제약 조건, 원소 분리, 그리고 회전에 의한 혼합을 통합한 개선된 태양 모델을 제시한다. 최적의 모델(5)은 대부분의 반경에서 u = P/ρ 함수에 대해 0.5% 미만의 일치도를 달성하며, 관측된 Li/Be 농도 감소(155배 및 2.9배)를 재현하고 헬리오세이즘학 및 중성자율과도 일치한다. 이는 표준 물리학에 더 강한 혼합을 추가함으로써 비표준 가정 없이 데이터를 설명할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We have computed new solar models using the same stellar evolution code as described in Charbonnel, Vauclair and Zahn (1992). This code, originating from Geneva, now includes the computation of element segregation for helium and 12 heavier isotopes. It may also include any type of mixing of the stellar gas, provided this mixing may be parametrized with an effective diffusion coefficient as a function of radius. Here we introduced rotation-induced mixing as prescribed by Zahn (1992). We present five solar models: the standard model; two models including pure element segregation; two models with both element segregation and rotation-induced mixing. The $u = {P \over ρ}$ function computed as a function of radius in these new solar models are compared to the helioseismological results obtained for the same function by Dziembowski et al (1994). Improving the physics of the models leads to a better consistency with helioseismology. In our best model, which includes both segregation and mixing, the relative difference in the $ u $ function between the model and the helioseismological results is smaller than 0.5 per cent at all radii except at the center and the surface. Meanwhile lithium is depleted by a factor 155 and beryllium by a factor 2.9, which is consistent with the observations. The bottom of the convective zone lies at a fractional radius of 0.716, consistent with helioseismology. The neutrino fluxes are not decreased in any of these models. The models including the computations of element segregation lead to a present surface helium abundance of: $ Y_{surf} $ between 0.248 and 0.258, which is in satisfactory agreement with the value derived from helioseismology.

연구 동기 및 목표

• 내부 구조 함수 u = P/ρ에 대한 헬리오세이즘학적 제약 조건을 포함한 개선된 태양 모델을 개발하는 것.
• 원소 분리와 회전에 의한 혼합이 동시에 관측된 경량 원소 농도 감소와 헬리오세이즘학적 데이터를 설명할 수 있는지 조사하는 것.
• 표준 별물리학(확산 및 매개변수화된 혼합 포함)만으로도 비표준 가정 없이 관측된 표면 농도를 재현할 수 있는지 판단하는 것.
• 원소 분리 및 혼합을 고려할 경우 모델 예측 중성자율과 관측치 간의 일관성을 평가하는 것.
• 헬리오세이즘학적 맥락에서 태양 대류권 경계 및 표면 헬륨 농도 예측의 신뢰성 평가

제안 방법

• 제네바에서 유도된 별진화 코드를 활용하여 헬륨과 12개의 더 무거운 동위원소에 대한 원소 분리를 계산할 수 있도록 확장.
• Zahn(1992)의 방법을 활용해 반경에 따라 함수화된 효과적 확산 계수로 회전에 의한 혼합을 포함.
• 다섯 개의 모델을 계산: 표준 모델, 순수 분리 모델, 반복 분리 모델, 분리 + 혼합 모델(초기 농도는 Grevesse 1991 기반), 반복 혼합 모델.
• 관측된 리튬 및 베릴륨 농도 감소 요인을 만족시키기 위해 혼합 효율성(C_h 요소)을 校정.
• 모델 예측 u = P/ρ 프로파일을 Dziembowski 등(1994)의 헬리오세이즘학적 역해석 결과와 비교하여 반경 방향 일관성에 중점을 두어 분석.
• 모델의 빛의 세기와 반경이 관측값(L = 3.851×10^34 erg/s, R = 6.959×10^10 cm)과 일치하도록 보장하고, 최종 농도를 Grevesse(1991)의 값에 맞추기 위해 반복 조정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원소 분리와 회전에 의한 혼합을 포함한 태양 모델이 u = P/ρ 함수에 대한 헬리오세이즘학적 제약 조건과 관측된 경량 원소 농도를 동시에 충족시킬 수 있는가?
• RQ2 회전에 의한 혼합을 포함함으로써 헬리오세이즘학과의 일치도가 향상되는가, 아니면 대류권 경계 및 표면 헬륨 농도 예측의 정확도가 떨어지는가?
• RQ3 비표준 혼합이나 확산을 도입하지 않고도 관측된 리튬 및 베릴륨 농도 감소(Li/Li₀ = 1/155, Be/Be₀ = 1/2.9)를 표준 물리학으로 설명할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 원소 분리와 회전에 의한 혼합을 고려한 모델에서 관측된 대류권의 바닥 위치(r_cz/R⊙ = 0.713 ± 0.003)는 일관성이 있는가?
• RQ5 반경 < 0.4 R⊙에서 u-함수의 격차는 혼합 물리학의 결함 때문이 아니라 투과도 또는 상태 방정식의 불확실성 때문일 수 있는가?

주요 결과

• 원소 분리와 校정된 회전에 의한 혼합을 포함한 모델 5는 대부분의 태양 내부에서 u = P/ρ 함수에 대해 0.5% 미만의 상대적 차이를 보이며, 중심과 표면 근처를 제외한 영역에서 뛰어난 일치도를 확보한다.
• 모델 5에서 리튬 농도는 155.03배 감소하고, 베릴륨 농도는 2.91배 감소하여 관측된 감소 요인(Li/Li₀ = 1/140, Be/Be₀ = 1/2)과 매우 유사하다.
• 모델 5에서 대류권의 바닥은 r_cz/R⊙ = 0.716에 위치하며, 헬리오세이즘학적 측정치(0.713 ± 0.003)와 일치한다.
• 모델 5의 표면 헬륨 농도(Y_surf = 0.2584)는 헬리오세이즘학으로 예측된 범위(0.248–0.258)에 포함되며 관측 제약 조건과도 일치한다.
• 모든 모델에서 중성자율은 변화 없이 높은 수준을 유지하여, 원소 분리나 혼합을 포함함으로써 관측된 중성자율이 감소하지 않음을 시사한다.
• 혼합을 포함함에도 불구하고 모델 5는 반복되지 않은 모델 4보다 헬리오세이즘학 데이터와 더 가까이 일치함을 보여주며, 개선된 물리 모델이 관측치와의 일치도를 향상시킨다는 점을 입증한다.