[論文レビュー] Global 3D radiation-hydrodynamics models of AGB stars. Effects of convection and radial pulsations on atmospheric structures

B. Freytag, S. Liljegren+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 60被引用数 52

ひとこと要約

この研究は CO5BOLD を用いてグローバルな 3D 放射線流体力学的 AGB 星モデルの格子を提示し、対流、パルス、衝撃を自己一貫的にシミュレートし、それらが大気構造と質量喪失に与える影響を評価します。

ABSTRACT

Context: Observations of asymptotic giant branch (AGB) stars with increasing spatial resolution reveal new layers of complexity of atmospheric processes on a variety of scales. Aim: To analyze the physical mechanisms that cause asymmetries and surface structures in observed images, we use detailed 3D dynamical simulations of AGB stars; these simulations self-consistently describe convection and pulsations. Methods: We used the CO5BOLD radiation-hydrodynamics code to produce an exploratory grid of global "star-in-a-box" models of the outer convective envelope and the inner atmosphere of AGB stars to study convection, pulsations, and shock waves and their dependence on stellar and numerical parameters. Results: The model dynamics are governed by the interaction of long-lasting giant convection cells, short-lived surface granules, and strong, radial, fundamental-mode pulsations. Radial pulsations and shorter wavelength, traveling, acoustic waves induce shocks on various scales in the atmosphere. Convection, waves, and shocks all contribute to the dynamical pressure and, thus, to an increase of the stellar radius and to a levitation of material into layers where dust can form. Consequently, the resulting relation of pulsation period and stellar radius is shifted toward larger radii compared to that of non-linear 1D models. The dependence of pulsation period on luminosity agrees well with observed relations. The interaction of the pulsation mode with the non-stationary convective flow causes occasional amplitude changes and phase shifts. The regularity of the pulsations decreases with decreasing gravity as the relative size of convection cells increases. The model stars do not have a well-defined surface. Instead, the light is emitted from a very extended inhomogeneous atmosphere with a complex dynamic pattern of high-contrast features.

研究の動機と目的

• 巨視的な対流セル、表面の目視 granulation、半径方向の振動がAGB星大気にどのように相互作用するかを調査する。
• 対流、波、衝撃が大気の拡張、振動周期、および半径関係にどう影響するかを評価する。
• 3Dフレームワーク内で振動特性が星のパラメータと回転にどのように依存するかを探る。
• 3Dモデルの結果を1D振動モデルおよび観測と比較して、周期-半径関係およびP-L傾向を評価する。

提案手法

• CO5BOLD 放射流体力学を用いて、対流、振動、衝撃を含む全球的な“星を箱に入れた”AGBモデルを計算する。
• 固定外重力と滑らか化したコアエネルギー源を用いたデカルト格子を採用し、内部星領域を模倣する。
• R*, Teff, log g, および振動特性を定義するため、時間および角度平均量を分析する。
• 放射速度のフーリエ解析を実施して、支配的な振動周波数とそのばらつきを導出する。
• C型およびM型AGB星の観測された周期-半径および周期-光度関係とモデ outputs を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全球3D AGB星モデルにおける対流と振動の特徴は何であり、それらはどのように相互作用するのか？
• RQ2 対流、音響波、衝撃は大気の浮上および塵形成領域にどう寄与するのか？
• RQ3 振動周期とその周波数広がりは星のパラメータと重力依存性にどう影響され、3D結果は1Dモデルおよび観測とどう比較されるのか？
• RQ4 回転はAGB大気の対流と振動にどの程度影響を及ぼすのか？

主な発見

モデル名	M_star (Msun)	M_env (Msun)	L_star (Lsun)	n_x × n_y × n_z	x_box	P_rot (yr)	t_avg (yr)	R_star (Rsun)	T_eff (K)	log g (cgs)	P_puls (yr)	sigma_puls (yr)
st28gm06n02	1.0	0.196	7079	127 3	1244	∞	11.01	437	2531	-0.85	1.400
st28gm06n03	1.0	0.188	6589	171 3	1674	∞	2.41	400	2599	-0.77	1.379
st28gm06n05	1.0	0.187	8144	171 3	1674	∞	2.06	423	2664	-0.82	1.775
st28gm06n06	1.0	0.186	6905	171 3	1674	∞	4.48	430	2538	-0.83	1.420
st28gm06n13	1.0	0.181	6932	281 3	1381	∞	29.96	384	2687	-0.73	1.479
st28gm06n16	1.0	0.178	6582	401 3	1381	∞	23.30	395	2616	-0.76	1.376
st28gm06n18	1.0	0.182	6781	401 3	1970	∞	26.75	395	2635	-0.76	1.325
st28gm06n24	1.0	0.182	6944	281 3	1381	∞	23.77	372	2733	-0.71	1.262
st28gm06n25	1.0	0.182	6890	401 3	1970	∞	23.77	372	2727	-0.71	1.388
st28gm06n29	1.0	0.182	6956	281 3	1381	20	25.35	384	2688	-0.73	1.297
st28gm06n30	1.0	0.182	6951	281 3	1381	10	25.34	395	2652	-0.76	1.327
st28gm07n001	1.0	0.176	10028	281 3	1381	∞	30.90	531	2506	-1.02	2.247
st26gm07n002	1.0	0.544	6986	281 3	1381	∞	25.35	437	2524	-0.85	1.625
st26gm07n001	1.0	0.315	6953	281 3	1381	∞	27.74	400	2635	-0.77	1.416
st28gm06n26	1.0	0.182	6955	281 3	1381	∞	25.35	371	2737	-0.70	1.290
st29gm06n001	1.0	0.109	6948	281 3	1381	∞	25.35	348	2822	-0.65	1.150
st27gm06n001	1.0	0.548	4982	281 3	1381	∞	28.53	345	2610	-0.64	1.230
st28gm05n002	1.0	0.262	4978	281 3	1381	∞	25.35	313	2742	-0.56	1.077
st28gm05n001	1.0	0.182	4990	281 3	1381	∞	25.36	300	2798	-0.52	1.026
st29gm04n001	1.0	0.141	4982	281 3	1381	∞	25.35	294	2827	-0.50	0.927

• 対流は巨大なセルと非定常的な下降流を形成し、全球的な双極フローを駆動して拡張的で不均一な外部大気を生み出す。
• 半径方向の振動と移動する音波は多尺度の衝撃を生じに塵形成領域へ物質を持ち上げ、大気の拡張を増大させる。
• 振動周期は半径と光度に関連し、3Dモデルはある1D関係よりも与えられた周期で大きな半径を示すことが多く、観測されたP-L傾向と概ね整合する。
• 振動と大規模対流セルの相互作用は振幅変化と位相シフトを引き起こし、より低重力下では対流構造が大きいためモード拡散が大きくなる。
• 定義された3D表面はなく、光は高コントラスト特徴を伴う拡張・不均一な大気から出てくる。
• 内部の支配的な振動モードは一貫性を保つが、外部大気層は対流–振動結合により低周波で不規則な信号を示す。