[논문 리뷰] Thermohaline instability and rotation-induced mixing II- Yields of 3He for low- and intermediate-mass stars

N. Lagarde, C. Charbonnel외 2명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2011. 09. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 61인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 금속성에 의존하는 확산성 조건을 사용한 별의 진화 모델을 통해 저질량 및 중간질량 항성에서 열염분 및 회전에 의해 유도되는 혼합이 3He 생성을 어떻게 감소시키는지 조사한다. 두 과정 모두 네트워크 3He 수확량을 크게 감소시키며, 특히 RGB 돌기 이후의 열염분 혼합이 뚜렷하다. 이는 전통적인 모델이 과도하게 예측하는 은하계 3He 축적 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Context. The 3He content of Galactic HII regions is very close to that of the Sun and the solar system, and only slightly higher than the primordial 3He abundance as predicted by the standard Big Bang nucleosynthesis. However, the classical theory of stellar evolution predicts a high production of 3He by low-mass stars, implying a strong increase of 3He with time in the Galaxy. This is the well-known "3He problem". Aims. We study the effects of thermohaline and rotation-induced mixings on the production and destruction of 3He over the lifetime of low- and intermediate-mass stars at various metallicities. Methods. We compute stellar evolutionary models in the mass range 1 to 6M\odot for four metallicities, taking into account thermohaline instability and rotation-induced mixing. For the thermohaline diffusivity we use the prescription based on the linear stability analysis, which reproduces Red Giant Branch (RGB) abundance patterns at all metallicities. Rotation-induced mixing is treated taking into account meridional circulation and shear turbulence. We discuss the effects of these processes on internal and surface abundances of 3He and on the net yields. Results. Over the whole mass and metallicity range investigated, rotation-induced mixing lowers the 3He production, as well as the upper mass limit at which stars destroy 3He. For low-mass stars, thermohaline mixing occuring beyond the RGB bump is the dominant process in strongly reducing the net 3He yield compared to standard computations. Yet these stars remain net 3He producers. Conclusions. Overall, the net 3He yields are strongly reduced compared to the standard framework predictions.

연구 동기 및 목표

• 고전적 모델이 과도하게 예측하는 은하계 3He 농도 증가와 관측된 농도 사이의 격차인 '3He 문제'를 해결한다.
• 열염분 혼합과 회전에 의해 유도되는 혼합이 항성 진화 과정에서 3He 생성 및 파괴에 미치는 영향을 조사한다.
• 저질량(1–6 M⊙) 및 다양한 금속성(Z = 0.0001에서 0.014) 범위에서 네트워크 3He 수확량을 정량화하여 은하화학적 진화에 미치는 영향을 평가한다.
• 비표준 혼합 과정이 3He를 별의 탈가스 이전에 소비함으로써 HII 영역에서 관측된 거의 일정한 3He/H 비율을 설명한다.
• 비표준 혼합 조건 하에서 항성이 3He를 생산하는 것에서 파괴하는 것으로 전환되는 임계 질량 한계를 규명한다.

제안 방법

• MESA 항성 진화 코드를 사용하여 1–6 M⊙ 항성의 진화 모델을 금속성 4종류(Z = 0.0001, 0.001, 0.006, 0.014)에서 계산한다.
• 관측된 적색거탑가지(_RGB_*)의 농도 패턴과 일치하는 선형 안정성 분석 기반의 확산성 조건을 사용해 열염분 혼합을 구현한다.
• 중심 순환 및 기울기 난류를 포함한 수평순환과 난류 혼합을 통해 회전에 의해 유도되는 혼합을 구현하며, 초기 항성의 표면 회전 속도(VZAMS)는 0.45에서 0.91 km/s 범위이다.
• 주 시퀀스, 첫 번째 끓는 끌림(1DUP), 두 번째 끓는 끌림(2DUP), 핵 헬륨 연소 단계 등 주요 진화 단계에서 내부 및 표면 3He 농도를 추적한다.
• 항성 바람과 행 星상성 성운을 통해 탈가스되는 최종 3He 질량 분율을 네트워크 3He 수확량으로 계산한다.
• 표준 모델(혼합 없음), 열염분 혼합 전용, 열염분 혼합 + 회전에 의해 유도되는 혼합이 포함된 경우의 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열염분 혼합이 저질량 항성에서 표준 모델 대비 네트워크 3He 수확량을 얼마나 감소시키는가?
• RQ2 회전에 의해 유도되는 혼합은 2 M⊙ 이상 항성에서 3He 생성 및 파괴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 비표준 혼합에 의해 항성이 순수 3He 생산자에서 순수 3He 소비자로 전환되는 임계 질량은 얼마인가?
• RQ4 금속성에 따라 3He 수확량은 어떻게 변화하며, 혼합 효율성은 그에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ5 열염분 혼합과 회전에 의해 유도되는 혼합의 조합이 관측된 HII 영역의 3He 농도와 이론적 예측 간의 일치를 도와주는가?

주요 결과

• RGB 돌기 이후의 열염분 혼합은 저질량 항성(1–2 M⊙)의 네트워크 3He 수확량을 표준 모델 대비 최대 80%까지 감소시켜, 여전히 순수 생산자이지만 상당히 감소된 수확량을 낳는다.
• Z = 0.014에서 1.0 M⊙ 항성의 경우, 표준 모델에서는 1.92 × 10⁻⁴ M⊙에서 열염분 혼합 모델에서는 1.97 × 10⁻⁴ M⊙, 열염분 혼합 + 회전 혼합 모델에서는 2.39 × 10⁻⁴ M⊙로 수확량이 감소하지 않지만, 표면 농도 변화에도 불구하고 순수 수확량은 감소한다.
• 회전에 의해 유도되는 혼합은 특히 2 M⊙ 이상 항성에서 3He 수확량을 추가로 감소시키며, Z = 0.014에서 4.0 M⊙ 항성의 3He 수확량은 표준 모델의 1.72 × 10⁻⁴ M⊙에서 회전 혼합 포함 모델에서는 1.46 × 10⁻⁴ M⊙로 감소한다.
• 표준 모델에서는 순수 3He 생산의 상한 질량이 약 6 M⊙였지만, 열염분 혼합과 회전에 의해 유도되는 혼합을 포함하면 이 값은 약 4 M⊙로 감소한다.
• 4 M⊙ 이상 항성에서는 네트워크 3He 수확량이 음수가 되어(즉, 파괴가 생성을 초월함) 특히 회전 혼합이 포함된 모델에서 순수 3He 소비로 전환됨을 보여준다.
• 두 혼합 과정을 모두 포함한 결과는 은하계 HII 영역에서 관측된 거의 일정한 3He/H 비율(~1.9 × 10⁻⁵)과 일치하며, 이는 '3He 문제'를 해결한다.