[논문 리뷰] Thermohaline instability and rotation-induced mixing. III - Grid of stellar models and asymptotic asteroseismic quantities from the pre-main sequence up to the AGB for low- and intermediate-mass stars at various metallicities

N. Lagarde, T. Decressin외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 83인용 수 141

한 줄 요약

이 연구는 저질량 및 중간질량 항성의 전주계열성에서 AGB까지의 광범위한 항성 진화 모델을 제시하며, 네 가지 금속성(Z = 0.0001에서 0.014)에서 회전에 의해 유도되는 혼합과 열염분 불안정성(thermohaline instability)을 포함한다. 이 연구는 대규모 주파수 간격(Δν), ν_max, A_max 및 점근적 주기 간격과 같은 전반적 항성진동 파arameter를 계산하여, 회전에 의해 유도되는 혼합이 이들 양상에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났고, 반면 열염분 혼합은 스펙트로스코피적으로 검출 가능하나, 여기서 다루는 전반적 항성진동 관측량에는 영향을 주지 않았다.

ABSTRACT

The availability of asteroseismic constraints for a large sample of stars from the missions CoRoT and Kepler paves the way for various statistical studies of the seismic properties of stellar populations. In this paper, we evaluate the impact of rotation-induced mixing and thermohaline instability on the global asteroseismic parameters at different stages of the stellar evolution from the Zero Age Main Sequence to the Thermally Pulsating Asymptotic Giant Branch to distinguish stellar populations. We present a grid of stellar evolutionary models for four metallicities (Z = 0.0001, 0.002, 0.004, and 0.014) in the mass range between 0.85 to 6.0 Msun. The models are computed either with standard prescriptions or including both thermohaline convection and rotation-induced mixing. For the whole grid we provide the usual stellar parameters (luminosity, effective temperature, lifetimes, ...), together with the global seismic parameters, i.e. the large frequency separation and asymptotic relations, the frequency corresponding to the maximum oscillation power ν_{max}, the maximal amplitude A_{max}, the asymptotic period spacing of g-modes, and different acoustic radii. We discuss the signature of rotation-induced mixing on the global asteroseismic quantities, that can be detected observationally. Thermohaline mixing whose effects can be identified by spectroscopic studies cannot be caracterized with the global seismic parameters studied here. But it is not excluded that individual mode frequencies or other well chosen asteroseismic quantities might help constraining this mixing.

연구 동기 및 목표

• 회전에 의해 유도되는 혼합과 열염분 불안정성이 항성 진화 전반에 걸쳐 전반적 항성진동 파arameter에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 저질량 및 중간질량 항성에 대해 전주계열성에서 AGB까지의 완전한 모델 그리드를 제공하기 위해.
• CoRoT 및 Kepler 관측과 비교할 수 있도록 고전적 항성 파arameter와 전반적 항성진동 양상을 모두 제공하여 통계적 항성진동 연구를 가능하게 하기 위해.
• 유사한 밝기와 온도를 가진 항성들이라도 다른 진화 단계에 있을 경우 비표준 혼합 과정의 관측 가능한 특징을 항성진동 데이터에서 식별하기 위해.
• 열염분 혼합의 영향이 표면 농도에 미치는 영향는 알려져 있으나, 전반적 항성진동 파arameter가 이를 탐지하는 데에는 어떤 한계가 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 초기 질량 0.85에서 6.0 M⊙인 항성 진화 모델의 그리드를 계산하며, 금속성 Z = 0.0001, 0.002, 0.004, 0.014을 포함한다.
• 표준 물리학과 비표준 과정을 모두 포함: 회전에 의해 유도되는 혼합(수평 순환과 비틀림 turbulence를 통한) 및 열염분 대류.
• 기존의 척도 관계를 사용하여 전반적 항성진동 파aram터를 계산: Δν(대규모 주파수 간격), ν_max(최대 힘의 주파수), A_max(최대 진동 진폭).
• 점근적 양상 계산: Δν_asympt(점근적 대규모 간격), t_BCE(대류권의 기저에서의 음향 반경), t_He(HeII 이온화 영역에서의 음향 반경), T(전체 음향 반경), ΔΠ(ℓ=1 주기 간격)를 g-모드에 대해 계산.
• 전주계열성에서 병렬형성 및 붉은 거성 단계를 거쳐 열진동 AGB 단계까지의 이 파aram터들의 진화를 추적한다.
• 비표준 혼합이 없는 모델과 있는 모델을 비교하여, 회전과 열염분 과정이 관측 가능한 항성진동 특징에 미치는 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전에 의해 유도되는 혼합은 허츠프루ング-라소스키도 전반에 걸쳐 대규모 주파수 간격(Δν)과 최대 힘 주파수(ν_max)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 열염분 혼합은 표면 농도에 강한 영향을 미치지만, Δν, ν_max 또는 A_max와 같은 전반적 항성진동 파aram터를 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ3 Δν와 A_max와 같은 항성진동 파aram터는 동일한 표면 온도와 밝기를 가진 항성들—예를 들어 HR 갭에서의 1.5 M⊙ 항성과 전주계열성에서의 2.0 M⊙ 항성—을 얼마나 잘 식별할 수 있는가?
• RQ4 TP-AGB 단계 동안 회전과 열염분 혼합의 영향을 받는 점근적 항성진동 파aram터(t_BCE, t_He, ΔΠ)는 어떻게 진화하는가?
• RQ5 다른 금속성의 항성 집단에서 관측된 항성진동 특성의 산란에 대해 회전과 열염분 혼합이 각각 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 회전에 의해 유도되는 혼합은 특히 병렬형성 및 헬륨 연소 단계에서 Δν, ν_max, A_max와 같은 전반적 항성진동 파aram터에 상당한 영향을 미친다.
• 열염분 혼합은 표면 농도에 강력한 영향을 미치지만, 밝기, 표면 온도 또는 여기서 다루는 전반적 항성진동 파aram터에 영향을 주지 않는다.
• 유사한 표면 온도와 밝기를 가진 항성들—예를 들어 HR 갭에서의 1.5 M⊙ 항성과 전주계열성에서의 2.0 M⊙ 항성—은 서로 다른 Δν와 A_max 값으로 식별될 수 있다.
• 같은 진화 단계에서 항성 질량이 증가할수록 대규모 주파수 간격 Δν는 감소하며, 이 차이는 회전에 의해 유도되는 혼합에 의해 더욱 뚜렷해진다.
• 최대 진폭 A_max는 항성 질량과 평균 밀도에 민감하며, 구조적 변화로 인해 병렬형성 단계에서 회전 모델은 더 높은 진폭을 보인다.
• t_BCE, t_He, ΔΠ(ℓ=1)와 같은 점근적 양상은 내부 구조에 대한 추가 제약 조건을 제공하며, 이는 회전에 의해 수정되지만 열염분 혼합에는 영향을 받지 않는다.