[논문 리뷰] Stellar evolution with rotation VIII: Models at Z = 10^{-5} and CNO yields for early galactic evolution

G. Meynet, A. Maeder|ArXiv.org|2002. 05. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 44인용 수 244

한 줄 요약

이 논문은 초기 은하 환경에서 CNO 핵합성과 생성물을 연구하기 위해 Z = 10⁻⁵에서의 별 진화 모델 격자를 제시한다. 이 모델은 자전 효과를 포함하고 있으며, 매우 낮은 금속성에서 중간질량 및 질량이 큰 별의 자전 혼합이 주로 ¹⁴N을 생성함으로써 금속성 낮은 별에서 관측된 N/O 수평선을 설명할 수 있음을 보여준다. 자전은 N/O 비율의 주요 인자이며, 질량 범위는 초기 은하 화학 진화에서 C/O 비율을 결정한다.

ABSTRACT

We calculate a grid of star models with and without the effects of axial rotation for stars in the mass range between 2 and 60 M$_{\odot}$ for the metallicity $Z = 10^{-5}$. Star models with initial masses superior or equal to 9 M$_\odot$ were computed up to the end of the carbon--burning phase. Star models with masses between 2 and 7 M$_\odot$ were evolved beyond the end of the He--burning phase through a few thermal pulses during the AGB phase. Compared to models at $Z=0.02$, the low $Z$ models show faster rotating cores and stronger internal $Ω$--gradients, which favour an important mixing of the chemical elements. In very low $Z$ models, primary nitrogen is produced during the He--burning phase by rotational diffusion of $^{12}$C into the H--burning shell. The intermediate mass stars of very low $Z$ are the main producers of primary $^{14}$N, but massive stars also contribute to this production; no significant primary nitrogen is made in models at metallicity $Z$=0.004 or above. We calculate the chemical yields in He, C, N, O and heavy elements and discuss the chemical evolution of the CNO elements at very low Z. Remarkably, the C/O vs O/H diagram is mainly sensitive to the interval of stellar masses, while the N/O vs O/H diagram is mainly sensitive to the average rotation of the stars contributing to the element synthesis. The presently available observations in these diagrams seem to favour contributions either from stars down to about 2 M$_{\odot}$ with normal rotation velocities or from stars above 8 M$_{\odot}$ but with very fast rotation.

연구 동기 및 목표

• 극도로 낮은 금속성(Z = 10⁻⁵)에서 자전의 화학 생성물에 미치는 영향을 이해하기 위해 초기 은하 진화와 관련된 연구를 수행한다.
• 기존 모델이 관측된 N/O 비율을 설명하지 못하는 금속성 낮은 별에서의 주로 ¹⁴N 생성 문제를 해결한다.
• 2–60 M⊙ 범위의 자전하는 별들에서 CNO 및 중금속 생성물을 상세히 계산하며, 탄소 연소 및 AGB 단계까지의 진화를 포함한다.
• 자전과 초기 질량 함수가 초기 은하에서 C/O 대 O/H 및 N/O 대 O/H 다이어그램에 어떻게 영향을 미치는지 평가한다.
• 금속성 낮은 허브성과 저금속성 은하의 관측 결과를 해석하기 위한 이론적 기초를 제공한다.

제안 방법

• Z = 10⁻⁵에서 2–60 M⊙ 범위의 별 진화 모델을 비자전 및 자전 모델(초기 v_rot = 300 km/s, 일부는 400 km/s)로 계산하였다.
• 자전에 의한 혼합은 순환 흐름과 난류 확산을 통해 모의되었으며, 화학 원소의 이동과 내부 각운동량 기울기 변화에 영향을 미쳤다.
• 핵반응 속도는 NACRE 복합체 기반으로, 흡광도에는 저온 분자 기여도를 포함하였다.
• 핵심 수소 및 헬륨 연소, 탄소 연소(≥9 M⊙에서), 그리고 AGB 단계의 열 펄스(2–7 M⊙)까지의 진화를 추적하였다.
• 은하 화학 진화의 맥락에서 헬륨, 탄소, 질소, 산소 및 중금속의 화학 생성물을 계산하고 분석하였다.
• 이론적 C/O 및 N/O 비율을 금속성 낮은 별과 은하의 관측 데이터와 비교하여 별 집단의 특성을 제약 조건화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자전 혼합은 매우 낮은 금속성 별(Z = 10⁻⁵)에서 CNO 표면 농도와 생성물에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 자전 효과가 낮은 금속성에서 관측된 N/O 비율 수평선, 특히 주로 ¹⁴N의 존재를 설명할 수 있는가?
• RQ3 중간질량 별(2–8 M⊙)과 질량이 큰 별(≥8 M⊙) 중 어느 쪽이 초기 은하 질소 농도 향상에 더 기여하는가?
• RQ4 C/O 대 O/H 및 N/O 대 O/H 다이어그램에서 C/O 및 N/O 비율은 초기 질량 함수와 별의 자전에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 저금속성 환경에서 별풍 질량 손실과 자전은 최종 C, N, O 생성물에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 낮은 금속성 모델에서 자전 혼합은 표면 질소 농도를 2–3개 지수 정도 증가시키며, 특히 초기 자전 속도 ≥300 km/s인 별에서 두드러진다.
• 헬륨 연소 기간 동안 자전에 의한 확산에 의해 ¹²C가 수소 연소 층으로 이동하면서 주로 ¹⁴N이 효율적으로 생성되며, AGB 단계까지 대부분 유지된다.
• 중간질량 별(2–8 M⊙)이 Z = 10⁻⁵에서 주로 ¹⁴N을 생성하는 주요 기여자이며, 질량이 큰 별(≥8 M⊙)도 상당한 기여를 한다.
• N/O 대 O/H 다이어그램은 평균 별 자전에 매우 민감하며, 자전 모델은 N/O 비율을 최대 2개 지수 정도 증가시키지만, C/O 비율은 주로 초기 질량 함수에 의해 결정된다.
• 관측된 N/O 수평선(log(N/O) ≈ -1.7)은 중간질량 별(2–8 M⊙)과 중간에서 빠른 자전(≥230 km/s 평균)을 가진 모델에서 가장 잘 재현되며, 비자전 모델이나 질량 큰 별만 고려한 모델은 이를 설명하지 못한다.
• C/O 대 O/H 다이어그램은 자전에 민감하지 않지만 기여하는 별의 질량 범위에 크게 의존하며, 낮은 질량 하한선이 높은 C/O 비율을 초래한다.