[논문 리뷰] The end of super AGB and massive AGB stars I. The instabilities that determine the final mass of AGB stars

Herbert H. B. Lau, Pilar Gil-Pons외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 17.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 38인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 태양 금속율에서 전자 포획 초신성의 발생 가능성을 줄이는 데 기여하는 복사압에 의해 유도되는 불안정성에 대해 다루며, 질량 7–10 M⊙인 거대 및 슈퍼-AGB 별에서 대기권 질량이 약 1–2 M⊙ 이하로 감소할 경우 진화 모델의 수치 발산을 유발한다. 이 불안정성은 철군 원소에 의해 유도되는 투과도 피크로 인해 발생하며, 국소적으로 빛의 세기가 에딩턴 한계를 초과하게 되어, 빠른 대기권 탈출을 유도하고 전자 포획 초신성의 발생을 방지할 수 있다.

ABSTRACT

The literature is rich in analysis and results related to thermally pulsing-asymptotic giant branch (TP-AGB) stars, but the problem of the instabilities that arise and cause the divergence of models during the late stages of their evolution is rarely addressed. We investigate the physical conditions, causes and consequences of the interruption in the calculations of massive AGB stars in the late thermally-pulsing AGB phase. We have thoroughly analysed the physical structure of a solar metallicity 8.5 solar mass star and described the physical conditions at the base of the convective envelope (BCE) just prior to divergence. We find that the local opacity maximum caused by M-shell electrons of Fe-group elements lead to the accumulation of an energy excess, to the departure of thermal equilibrium conditions at the base of the convective envelope and, eventually, to the divergence of the computed models. For the 8.5 solar mass case we present in this work the divergence occurs when the envelope mass is about 2 solar mass. The remaining envelope masses range between somewhat less than 1 and more than 2 solar mass for stars with initial masses between 7 and 10 solar mass and, therefore, our results are relevant for the evolution and yields of super-AGB stars. If the envelope is ejected as a consequence of the instability we are considering, the occurrence of electron-capture supernovae would be avoided at solar metallicity.

연구 동기 및 목표

• 거대 및 슈퍼-AGB 별의 늦은 단계 TP-AGB 모델에서 수치 수렴 실패의 물리적 원인을 규명한다.
• 최종 질량을 결정하는 데 핵심적인 역할을 하면서도 문헌에서 다뤄지지 않은 AGB 진화 계산을 정지시키는 불안정성의 부족한 주목을 해결한다.
• 이 불안정성이 대기권 탈출을 유도하는지 또는 단지 질량 손실을 증가시키는지 확인하고, 백색왜성 형성과 전자 포획 초신성에 대한 영향을 평가한다.
• 철군 원소의 투과도 피크가 대류권의 기저에서 수압 불안정성을 유도하는 역할를 조사한다.
• 이 불안정성이 초신성 핵합성 수확량과 슈퍼-AGB 별의 최종 운명에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 태양 금속율을 가진 8.5 M⊙ 별의 늦은 TP-AGB 단계를 모델링하기 위해 Monash 별진화 코드 MONSTAR를 사용하였다.
• 특히 밀도, 온도, 빛의 세기, 압력 비율을 고려하여 대류권 기저(BCF)의 물리적 조건을 추적하였다.
• 철군 원소의 투과도 피크(M-껍질 전자)가 국소 에너지 과잉을 만들어내고 열적 평형을 파괴하는 역할를 분석하였다.
• 수렴 실패를 지연시키기 위해 대류 혼합 길이 매개변수 α를 변화시켜 모델 안정성에 미치는 영향을 시험하였다.
• 결합 에너지 프로파일과 속도 추정치를 평가하여 대기권 탈출의 가능성 여부를 분석하였다.
• 에딩턴 한계 빛 세기와 AGB 진화에서의 불안정성에 관한 이전 연구들과 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대 AGB 별의 늦은 단계 모델에서 수압 평형이 실패하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 철군 원소의 투과도 피크가 대류권 기저에서 불안정성의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 혼합 길이 매개변수 α를 증가시키면 수치 발산의 발생 시점이 얼마나 지연되는가?
• RQ4 이 불안정성이 빠른 대기권 탈출을 유도할 수 있으며, 슈퍼-AGB 별의 최종 질량과 잔여 물체에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ5 태양 금속율에서 이 불안정성이 전자 포획 초신성의 발생 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 불안정성은 철군 원소의 M-껍질 전자에 의해 유도되는 국소적 투과도 최대치로 인해 발생하며, 대류권 기저에서 에너지 과잉을 유도한다.
• 8.5 M⊙ 모델에서 발산은 대기권 질량이 약 2 M⊙일 때 발생하며, 7에서 10 M⊙ 사이의 별들에서도 유사한 불안정성 임계점이 관찰된다.
• 국소적 빛의 세기가 에딩턴 한계를 초과하여 기체 압력이 음수가 되고, 모델에서 수압 평형이 붕괴된다.
• 대류권 내 속도 추정치는 탈출 속도를 초과하며, 결합 에너지 프로파일은 전체 대기권이 탈출할 수 있음을 시사한다.
• 대기권 탈출이 발생할 경우, 태양 금속율에서 전자 포획 초신성은 피할 수 있으며, 이러한 사건의 질량 및 금속율 범위가 크게 좁아진다.
• 1차원 수압 코드에서는 레일리-태일러 불안정성과 팽창 중 밀도 역전 현상을 모의할 수 없어 이 불안정성이 과소 평가될 수 있다.