[论文解读] 3D hydrodynamic simulations of massive main-sequence stars. I. Dynamics and mixing of convection and internal gravity waves

Falk Herwig, Paul R. Woodward+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究通过25 M⊙主序星的三维水动力学模拟，探究了核心-包层边界处对流与内波（IGWs）的混合过程。研究建立了IGW混合效率的标度关系 $ D_{\text{IGW-hydro}} \propto L^{4/3} $，并发现若IGW混合由热增强剪切驱动，则在标称加热条件下扩散系数上限为 $ 2{-}3 \times 10^4\ \text{cm}^2/\text{s} $，表明在大质量恒星中对表面成分的影响有限。

ABSTRACT

We performed 3D hydrodynamic simulations of the inner $\approx 50\%$ radial extent of a $25\ \mathrm{M_\odot}$ star in the early phase of the main sequence and investigate core convection and internal gravity waves in the core-envelope boundary region. Simulations for different grid resolutions and driving luminosities establish scaling relations to constrain models of mixing for 1D applications. As in previous works, the turbulent mass entrainment rate extrapolated to nominal heating is unrealistically high ($1.58 imes 10^{-4}\ \mathrm{M_\odot/yr}$), which is discussed in terms of the non-equilibrium response of the simulations to the initial stratification. We measure quantitatively the effect of mixing due to internal gravity waves excited by core convection interacting with the boundary in our simulations. The wave power spectral density as a function of frequency and wavelength agrees well with the GYRE eigenmode predictions based on the 1D spherically averaged radial profile. A diffusion coefficient profile that reproduces the spherically averaged abundance distribution evolution is determined for each simulation. Through a combination of eigenmode analysis and scaling relations it is shown that in the $N^2$-peak region, mixing is due to internal gravity waves and follows the scaling relation $D_\mathrm{IGW-hydro} \propto L^{4/3}$ over a $\gtrapprox 2\ \mathrm{dex}$ range of heating factors. Different extrapolations of the mixing efficiency down to nominal heating are discussed. If internal gravity wave mixing is due to thermally-enhanced shear mixing, an upper limit is $D_\mathrm{IGW} \lessapprox 2$ to $3 imes 10^4\ \mathrm{cm^2/s}$ at nominal heating in the $N^2$-peak region above the convective core.

研究动机与目标

• 量化大质量主序星核心-包层边界附近对流与内波（IGWs）等混合过程。
• 基于三维水动力学模拟，建立IGW混合效率的标度关系，以支持一维恒星演化模型。
• 评估模拟中卷吸速率的现实性，并识别导致其异常偏高的原因。
• 确定IGW混合是否由剪切驱动，或由其他机制（如对流随机混合）驱动。
• 将三维模拟结果与基于球对称平均剖面的GYRE一维本征模预测进行比较。

提出的方法

• 针对25 M⊙主序星内半径50%范围内的区域，采用自适应网格加密与隐式时间积分方法进行三维水动力学模拟。
• 在多个网格分辨率和不同加热光度下运行模拟，以推导混合效率的标度律。
• 将三维模拟的球对称径向剖面用作GYRE的输入，以计算内波的本征模。
• 分析波功率谱密度，并与GYRE预测结果对比，以验证波的激发与传播。
• 为每次模拟推导出扩散系数剖面，以重现球对称平均的元素丰度演化。
• 利用高阶速度统计量（偏度与峰度）识别对流与波主导区域之间的动态边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量恒星的三维模拟中，内波混合效率如何随加热光度变化？
• RQ2 为何三维模拟表现出异常高的质量卷吸速率？如何与一维模型相协调？
• RQ3 在 $ N^2 $-峰值区域，内波对混合的贡献程度如何？与一维本征模预测相比有何差异？
• RQ4 若IGW混合由热增强剪切驱动，基于模拟外推，其混合效率的上限是多少？
• RQ5 对流随机混合等替代混合机制能否解释高于剪切模型的IGW混合效率？

主要发现

• 内波混合效率在加热光度范围 $ \geq 2\ \text{dex} $ 内，符合 $ D_{\text{IGW-hydro}} \propto L^{4/3} $ 的标度关系。
• 模拟中测得的波功率谱密度与基于球对称一维剖面的GYRE本征模预测高度一致。
• 将湍流质量卷吸速率外推至标称加热条件时，结果为 $ 1.58 \times 10^{-4}\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1} $，由于初始条件未达平衡，该值异常偏高。
• 若IGW混合由热增强剪切驱动，则在 $ N^2 $-峰值区域，扩散系数的上限为 $ 2{-}3 \times 10^4\ \text{cm}^2/\text{s} $（标称加热条件下）。
• 径向速度的概率密度函数（PDF）在偏度与超额峰度乘积最大处对应动态边界，证实了从对流主导到波主导流态的转变。
• 模拟结果表明，基于剪切的IGW混合仅具有局部影响，且在25 M⊙恒星的主序星演化寿命内，不会显著改变其表面成分。