[논문 리뷰] TP-AGB stars with envelope burning

P. Marigo, A. Bressan외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 10. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중간질량(4–5 M⊙)의 열적 펄스를 반복하는 적색거성가지가(이하 TP-AGB) 대기권에서의 연소를 겪는 경우를 반영한 반분석 모델을 사용하여 그 진화를 조사한다. 이 모델은 전체 TP-AGB 모델과 단순화된 대기권 구조를 조합한다. 연구 결과, 이러한 별들은 찬드라세카르 극한 빛의 한계를 초과하지 않으며 높은 빛의 세기(Mbol ≈ -6에서 -7)에 도달한다. 탄소성 별은 Mbol ≈ -6.5를 넘지 않으며, 은하군 합성 모델에 사용할 수 있는 새로운 주요 및 보조 CNO 원소 생산량을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper we focus on the TP-AGB evolution of intermediate-mass stars experiencing envelope burning (M=4-5Mo). The approach we have adopted is a semi-analytical one as it combines analytical relationships derived from complete models of TP-AGB stars with sole envelope models in which the physical structure is calculated from the photosphere down to the core. Our efforts are directed to analyse the effects produced by envelope burning, such as: i) the energy contribution which may drive significant deviations from the standard core mass-luminosity relationship; and ii) the changes in the surface chemical composition due to nuclear burning via the CNO cycle. Evolutionary models for stars with initial mass of 4.0, 4.5, 5.0 Mo and two choices of the initial chemical composition ([Y=0.28,Z=0.02] and [Y=0.25,Z=0.008]) are calculated from the first thermal pulse till the complete ejection of the envelope. We find that massive TP-AGB stars can rapidly reach high luminosities (-6>Mbol>-7), without exceeding, however, the classical limit to the AGB luminosity of Mbol~-7.1 corresponding to the Chandrasekhar value of the core mass. No carbon stars brighter than Mbol~-6.5 are predicted to form (the alternative of a possible transition from M-star to C-star during the final pulses is also explored), in agreement with observations which indicate that most of the very luminous AGB stars are oxygen-rich. Finally, new chemical yields from stars in the mass range 4-5 Mo are presented, so as to extend the sets of stellar yields from low-mass stars already calculated by Marigo et al. (1996). For each CNO element we give both the secondary and the primary components.

연구 동기 및 목표

• 중간질량 TP-AGB 별의 밝기 및 화학적 진화에 대기권 연소가 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 질량이 큰 TP-AGB 별이 찬드라세카르 핵 질량에 의해 정의된 고전적 밝기 한계(Mbol ≈ -7.1)를 초과할 수 있는지 확인하기 위해.
• 4–5 M⊙ 범위에서 탄소성 별이 형성되는지 평가하고 관측된 산소 풍부한 빛나는 AGB 별과 비교하기 위해.
• 은하군 합성 모델에 사용할 수 있도록 CNO 원소의 새로운 생산량을 계산하고, 주요 및 보조 기여를 구분하기 위해.

제안 방법

• 전체 TP-AGB 진화 모델과 별의 표면에서 핵에 이르는 단순화된 대기권 모델을 조합한 반분석적 접근법을 사용한다.
• 완전한 모델에서 유도된 분석 관계를 기반으로 대기권의 물리적 구조를 계산하여 에너지 전달 및 핵반응의 효율적 계산을 가능하게 한다.
• CNO 순환을 대기권에서 모델링하여 탄소, 질소, 산소 동위원소의 표면 조성 변화를 추적한다.
• 초기 질량가 4.0, 4.5, 5.0 M⊙의 별에 대해 두 가지 초기 조성(Z = 0.02 및 Z = 0.008)을 사용하여 첫 번째 열적 펄스부터 전체 대기권 탈출까지의 진화를 추적한다.
• 볼레트로픽 보정을 사용하여 밝기와 등급을 계산하고, 대기권 연소 조건 하에서 핵 질량-밝기 관계를 검증한다.
• 핵합성 경로에 따라 각 CNO 원소의 생산량을 추출하고 주요 및 보조 성분으로 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 질량가 4–5 M⊙인 TP-AGB 별이 대기권 연소로 인해 고전적 밝기 한계(Mbol ≈ -7.1)를 초과할 수 있는가?
• RQ2 대기권 탈출 이전에 이러한 별이 도달하는 최대 볼레트로픽 등급은 얼마이며, 관측된 빛나는 AGB 별과 일치하는가?
• RQ3 이 별들이 Mbol ≈ -6.5를 넘는 탄소성 별을 형성하는가, 아니면 탄소 풍부한 단계로의 전이가 억제되는가?
• RQ4 TP-AGB 단계 동안 대기권에서의 CNO 연소로 인해 탄소, 질소, 산소의 표면 농도가 어떻게 변화하는가?
• RQ5 4–5 M⊙ 별에서 CNO 원소 생산량의 주요 및 보조 기여는 각각 얼마인가?

주요 결과

• 대기권 연소를 겪는 질량이 큰 TP-AGB 별은 Mbol ≈ -6.5에서 -7까지 높은 밝기를 도달하지만 찬드라세카르 밝기 한계(Mbol ≈ -7.1)를 초과하지는 않는다.
• 4–5 M⊙ 범위에서는 Mbol ≈ -6.5를 넘는 탄소성 별이 형성되지 않으며, 이는 빛나는 AGB 별이 주로 산소 풍부한 것으로 관측되는 것과 일치한다.
• 대기권 연소에서 기여하는 에너지로 인해 표준 핵 질량-밝기 관계에서 눈에 띄는 편차가 발생하며, 특히 늦은 TP-AGB 단계에서의 밝기 진화에 두드러진다.
• CNO 순환으로 인해 12C의 표면 농도는 감소하고 14N의 농도는 증가하며, 이 농도 변화의 정도는 初기 금속량과 질량에 따라 달라진다.
• 탄소, 질소, 산소 및 그 동위원소에 대해 새로운 주요 및 보조 생산량을 계산하여 이전의 저질량 모델을 넘어서 중간질량 별의 생산량 집합을 확장한다.
• 모델은 매우 빛나는 탄소성 별의 희소성을 뒷받침하며, 대기권 연소 과정이 고백도에서 탄소 풍부 대기 형성을 억제함으로써 이를 설명한다.