[논문 리뷰] Thermohaline instability and rotation-induced mixing. I - Low- and intermediate-mass solar metallicity stars up to the end of the AGB

C. Charbonnel, N. Lagarde|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 90인용 수 139

한 줄 요약

이 연구는 태양 중성도를 가진 저-중간질량 (1–4 M⊙) 항성에서 3He 연소와 자전에 의해 유도되는 혼합이 유도하는 열염혼합 현상을 조사하며, 열염혼합이 RGB 돌기 이후의 진화한 거성에서 관측된 리튬, C/N 및 12C/13C 경향을 설명함을 보여준다. 또한 자전은 열염혼합의 시작을 촉진하고, 특히 중간질량 항성에서 CN 처리된 물질의 별 간 농도 변화를 설명한다.

ABSTRACT

(abridged) Numerous spectroscopic observations provide compelling evidence for non-canonical processes that modify the surface abundances of low- and intermediate-mass stars beyond the predictions of standard stellar theory. We study the effects of thermohaline instability and rotation-induced mixing in the 1-4 Msun range at solar metallicity. We present evolutionary models by considering both thermohaline and rotation-induced mixing in stellar interior. We discuss the effects of these processes on the chemical properties of stars from the zero age main sequence up to the end of the second dredge-up on the early-AGB for intermediate-mass stars and up to the AGB tip for low-mass stars. Model predictions are compared to observational data for lithium,12C/13C,[N/C],[Na/Fe],16O/17O, and 16O/18O in Galactic open clusters and in field stars with well-defined evolutionary status,as well as in planetary nebulae. Thermohaline mixing simultaneously accounts for the observed behaviour of 12C/13C,[N/C], and lithium in low-mass stars that are more luminous than the RGB bump, and its efficiency is increasing with decreasing initial stellar mass. On the TP-AGB,thermohaline mixing leads to lithium production, although the 7Li yields remain negative. Although the 3He stellar yields are much reduced thanks to this process, we find that solar-metallicity, low-mass stars remain net 3He producers. Rotation-induced mixing is found to change the stellar structure so that in the mass range between \sim 1.5 and 2.2 Msun the thermohaline instability occurs earlier on the red giant branch than in non-rotating models. Finally rotation accounts for the observed star-to-star abundance variations at a given evolutionary status, and is necessary to explain the features of CN-processed material in intermediate-mass stars.

연구 동기 및 목표

• 표준 항성 이론을 초월하여 저-중간질량 항성의 표면 농도에 영향을 주는 비표준 혼합 과정을 이해하기 위해.
• 1차적인 끓는 혼합 이후 표면 조성 변화를 유도하는 3He(3He,2p)4He 반응에 의해 유도되는 열염불안정성의 역할을 조사하기 위해.
• 자전에 의해 유도되는 혼합이 항성 구조를 어떻게 수정하고 열염혼합의 시작과 효율성에 영향을 주는지 평가하기 위해.
• 열린 군집, 현장 거성 및 행성상 성운에서의 리튬, 12C/13C, [N/C], [Na/Fe], 산소 동위원소에 대한 모델 예측을 관측 데이터와 조율하기 위해.
• 열염혼합과 자전에 의해 유도되는 혼합 과정을 통합했을 때 3He와 7Li의 순수 수확량을 결정하고, 은하 핵합성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 태양 중성도를 가진 1–4 M⊙ 항성에 대해 열염혼합과 자전에 의해 유도되는 혼합을 포함한 항성 진화 모델을 계산하였다.
• 열염혼합의 확산계수는 Ulrich(1972)의 제안을 사용하였으며, 실험실 실험으로 검증되었고 이전에 저중성도 항성에서 성공적으로 적용된 바가 있다.
• 자전에 의해 유도되는 혼합은 내부 조성 변화를 유도하고 대류에 의해 유도되는 혼합의 시작을 연기하는 터뷸런스 확산계수 형식으로 구현하였다.
• 모델는 영연성 주계열에서 시작하여 제2의 끓는 혼합(초기 AGB)까지 진화시켰으며, 일부 사례에서는 AGB 꼬리까지 진화시켰다.
• 표면 농도에 대한 관측 데이터와 예측을 비교하였다: 거성, 클럽 별 및 행성상 성운에서의 리튬, 12C/13C, [N/C], [Na/Fe], 16O/17O 및 16O/18O.
• 핵반응 속도는 NACRE에서 가져왔으며, 14C(p,γ)15N, 14C(p,n)14N, 14C(p,α)11B, 14N(p,γ)15O 등 일부 반응은 전문 문헌에서 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RGB 돌기 이후의 저질량 거성에서 관측된 12C/13C 감소와 [N/C] 증가를 열염혼합가 얼마나 잘 설명할 수 있는가?
• RQ2 자전에 의해 유도되는 혼합은 중간질량 항성(1.5–2.2 M⊙)에서 열염혼합의 시기와 효율성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 유사 질량과 진화 단계를 가진 항성들 사이에서 관측된 별 간 농도 산란은 자전에 의해 유도되는 혼합으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 열염혼합과 자전에 의해 유도되는 혼합이 포함된 저질량 항성에서 3He와 7Li의 순수 수확량은 무엇인가?
• RQ5 열염혼합과 자전에 의해 유도되는 혼합은 진화한 항성에서 산소 동위원소 비율(16O/17O 및 16O/18O)에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 열염혼합은 RGB 돌기 이후 더 밝은 저질량 거성에서 관측된 12C/13C 감소, [N/C] 증가 및 리튬 농도 감소를 동시에 재현한다.
• 열염혼합의 효율성은 초기 항성 질량이 감소할수록 증가하며, 2.2 M⊙ 이하의 항성에서 가장 강한 영향을 미친다.
• TP-AGB 단계에서 열염혼합은 리튬 생성을 유도하지만, 순수 7Li 수확량은 여전히 음수이므로 이러한 항성들은 은하의 리튬을 풍부하게 하지 않는다.
• 열염혼합로 인한 3He 감소가 심하지만, 태양 중성도를 가진 저질량 항성은 수명 전반에 걸쳐 순수 3He 생산자로 남아 있다.
• 자전에 의해 유도되는 혼합은 질량이 약 1.5–2.2 M⊙인 항성에서 비자전 모델 대비 적색거성 브런치에서 열염혼합의 시작을 앞당긴다.
• 고정된 진화 상태에서 관측된 표면 농도 산란을 설명하기 위해 자전이 필수적이며, 중간질량 항성에서 CN 처리된 물질을 재현하기 위해서도 필수적이다.