[论文解读] Evolution and surface abundances of red giants experiencing deep mixing

Achim Weiß, Pavel A. Denissenkov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本文通过自洽的演化模型研究低金属丰度红巨星中的深对流混合，以解释观测到的表面元素异常，特别是O-Na反相关现象。研究发现，仅需适度的氦增丰（ΔY_env ≈ 0.05）即可与观测一致，排除了会导致异常过度产生的强氦混合；相反，极端光度可由早期氢壳层燃烧引起，而无需深层氦混合，这可能与蓝水平分支星相关。

ABSTRACT

We have calculated the evolution of low metallicity red giant stars under the assumption of deep mixing between the convective envelope and the hydrogen burning shell. We find that the extent of the observed abundance anomalies, and in particular the universal O-Na anticorrelation, can be totally explained by mixing which does not lead to significant helium enrichment of the envelope. On the other hand, models with extremely deep mixing and strong helium enrichment predict anomalies of sodium and oxygen, which are much larger than the observed ones. This latter result depends solely on the nucleosynthesis inside the hydrogen burning shell, but not on the details of the mixing descriptions. These, however, influence the evolution of surface abundances with brightness, which we compare with the limited observational material available. Our models allow, nevertheless, to infer details on the depth and speed of the mixing process in several clusters. Models with strong helium enrichment evolve to high luminosities and show an increased mass loss. However, under peculiar assumptions, red giants reach very high luminosities even without extreme helium mixing. Due to the consequently increased mass loss, such models could be candidates for blue horizontal branch stars, and, at the same time, would be consistent with the observed abundance anomalies.

研究动机与目标

• 研究包层对流区与氢燃烧壳层之间的深对流混合如何影响低金属丰度红巨星的表面元素丰度。
• 确定包层中是否存在强氦增丰，以及这是否与观测到的元素异常（特别是O-Na反相关）一致。
• 评估深对流混合的演化后果，包括光度演化和质量损失，及其对蓝水平分支星的启示。
• 检验深对流混合引起的核合成效应是否具有模型独立性，以及其如何约束混合深度与速度。
• 通过自洽的演化模型，调和观测到的元素异常与球状星团中的第二参数问题。

提出的方法

• 构建了包含包层对流区与氢燃烧壳层之间扩散性深对流混合的低金属丰度红巨星完整演化序列。
• 采用后处理核合成计算，基于自洽模型结构确定表面元素丰度。
• 改变混合方案（深度与效率），以探究其对氦增丰与元素异常的影响。
• 应用Reimers型质量损失方案，评估演化后果，特别是红巨星顶端的光度与质量损失。
• 将模型预测与球状星团（如M13）中[O/Fe]与[Na/Fe]的观测数据进行比较，重点关注亮度相关的丰度趋势。
• 通过测试多种混合配方，评估核合成结果的模型独立性，从而分离核反应作用与混合细节的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 包层中多大的氦增丰水平与观测到的红巨星中O-Na反相关现象一致？
• RQ2 在无显著氦增丰的情况下，深对流混合能否解释观测到的元素异常，包括CNO元素在红巨星分支上的演化？
• RQ3 极端深对流混合伴随强氦增丰的演化后果是什么，特别是对光度与质量损失的影响？
• RQ4 观测到的元素异常是否排除了具有极深混合与高氦增丰的模型，无论其混合描述如何？
• RQ5 能否通过中等程度的混合但早期氢壳层燃烧，产生高光度而无需强氦混合，从而解释蓝水平分支星？

主要发现

• 球状星团中红巨星观测到的O-Na反相关现象，完全可由仅引起微弱氦增丰（ΔY_env ≈ 0.05）的深对流混合解释，无需强氦增强。
• 极端深对流混合与强氦增丰的模型预测的O元素耗尽与Na元素增强远超观测值，表明此类模型已被数据排除。
• 核合成结果——特别是O与Na异常的幅度——与混合描述无关，仅取决于氢燃烧壳层中的核反应。
• 即使没有极端氦混合，模型仍可通过早期氢壳层燃烧在足够热的区域实现快速燃烧，从而达到极高光度，且该过程快于混合速率。
• 此类高光度模型经历强烈的质量损失（最终质量< 0.6 M⊙，包层质量仅约10%），使其成为蓝水平分支星的可行候选。
• 观测中缺乏极端O-Na异常现象排除了选择效应作为其缺失原因，证实深对流混合的深度与速度必须受到严格限制。