[논문 리뷰] Stellar evolution of low and intermediate-mass stars. IV. Hydrodynamically-based overshoot and nucleosynthesis in AGB stars

Falk Herwig, T. Bloêcker외 2명|arXiv (Cornell University)|1997. 06. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 저질량 및 중간질량 AGB 별의 별진화 모델을 향상시키기 위해 2D 복사유체역학 시뮬레이션을 바탕으로 한 유체역학적 동기를 가진 초과혼합 처리법을 제안한다. 슈바르츠실트 경계를 초월해 깊이에 따라 변하는 대류 속도를 적용함으로써, 7번째 열맥동에서 조기에 제3의 냉각혼합이 발생하고 약 3.9×10⁻⁷ M☉의 13C 퍼티가 형성되며, 이로 인해 상층계 성분 비율이 (4He/12C/16O) ≈ (23/50/25)로 변화하여 핵합성에 중대한 영향을 미치고 탄소별 수수께끼를 해결한다.

ABSTRACT

The focus of this study is on the treatment of those stellar regions immediately adjacent to convective zones. The results of hydrodynamical simulations by Freytag et al. (1996, A&A313,497) show that the motion of convective elements extends well beyond the boundary of the convectively unstable region. We have applied their parametrized description of the corresponding velocities to the treatment of overshoot in stellar evolution calculations up to the AGB (Pop.I, M_zams=3M_sun).

연구 동기 및 목표

• 관측된 저광도 탄소별과 표준 AGB 모델 간의 괴리, 즉 저질량에서 냉각혼합이 발생하지 않는다는 점을 해결하기 위해.
• 표준 모델에서 s-핵합성에 필요한 13C 생산이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 유체역학적 동기를 가진 초과혼합을 별진화 계산에 통합하여 관측된 AGB 별 성분 비율을 더 잘 재현하기 위해.
• 스털츠필트 경계를 초월한 추가 혼합이 인위적인 매개변수화 없이 조기에 냉각혼합과 13C 퍼티 형성을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• Freytag 등 (1996)의 2D 유체역학 시뮬레이션에서 유도된 대류 속도의 매개변수화 기술을 사용하여 슈바르츠실트 경계를 초월한 혼합을 모델링하였다.
• Blöcker (1993, 1995)의 1차원 별진화 코드를 수정하여 모든 대류 영역에 깊이에 따라 변하는 초과혼합을 포함시켰다.
• 13C(α,n)16O 및 22Ne(α,n)25Mg 반응을 포함한 총 31개의 양성자 및 74개의 반응을 포함한 핵합성 네트워크를 사용하였다.
• 정확한 복사전달을 위해 Iglesias 등 (1992)과 Alexander & Ferguson (1994)의 투과도 표를 적용하였다.
• 확산 尾(미세한 확산 꼬리)를 통한 대류층 침투, 수소/12C 프로파일 겹침, 13C 퍼티 형성의 진화를 추적하였다.
• 냉각혼합 매개변수 λ를 열맥동 주기당 핵의 질량 증가 대비 냉각된 질량의 비율로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유체역학적 동기를 가진 초과혼합은 저질량 AGB 별(≤3 M☉)에서 제3의 냉각혼합이 조기에 발생하는 것을 설명할 수 있는가?
• RQ2 스털츠필트 경계를 초월한 추가 혼합은 s-핵합성에 필수적인 13C 퍼티 형성으로 이어지는가?
• RQ3 유체역학 기반 초과혼합을 적용했을 때 상층계 성분 비율(4He/12C/16O)이 표준 모델과 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ4 깊이에 따라 변하는 초과혼합은 열맥동 기간 동안 냉각혼합의 시기와 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저광도 탄소별을 따로 가열된 저면 연소나 질량 손실만으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 3 M☉ AGB 모델에서 제3의 냉각혼합은 7번째 열맥동에서 발생하며, 12번째 맥동 동안 냉각혼합 매개변수 λ = 0.60을 기록한다.
• 총 냉각된 질량은 3.7×10⁻³ M☉에 도달하며, 이 중 1.5×10⁻³ M☉의 ¹²C 가 표면으로 이동한다.
• 수소와 ¹²C 프로파일의 겹침 부위에서 대류층과 탄소 농도가 높은 층의 확산적 겹침으로 인해 3.9×10⁻⁷ M☉의 13C 퍼티가 형성된다.
• 상층계 성분 비율이 표준 모델의 (70/26/1)에서 유체역학 기반 모델에서는 (23/50/25)로 변화한다.
• 대류층이 헬륨 농도가 높은 층으로 침투하여 반구형대류를 유도하며 날카로운 조성 경계를 없앤다.
• 13C 퍼티는 다음 열맥동 이전에 복사적으로 연소되며, Straniero 등 (1995)의 결과와 일치하지만, 이제는 유체역학적 혼합을 통해 자연스럽게 형성된다.