[論文レビュー] New Solar Models Including Helioseismological Constraints and Light-Element Depletion

O. Richard, S. Vauclair+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 1996

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、太陽内部構造と観測されたリチウムおよびイットリウムの欠損を一致させるために、ヘリオセイズモロジー的制約、元素分離、回転に起因する混合を組み込んだ改善された太陽モデルを提示する。最良のモデル（5）は、大部分の半径でu = P/ρ関数について0.5%未満の一致を達成し、観測されたLi/Be欠損（155×および2.9×）を再現し、ヘリオセイズモロジーおよびニュートリノフラックスと整合性を保っている。標準的な物理法則に強化された混合を組み込むことで、非標準的仮定を用いずにデータを説明できることを示している。

ABSTRACT

We have computed new solar models using the same stellar evolution code as described in Charbonnel, Vauclair and Zahn (1992). This code, originating from Geneva, now includes the computation of element segregation for helium and 12 heavier isotopes. It may also include any type of mixing of the stellar gas, provided this mixing may be parametrized with an effective diffusion coefficient as a function of radius. Here we introduced rotation-induced mixing as prescribed by Zahn (1992). We present five solar models: the standard model; two models including pure element segregation; two models with both element segregation and rotation-induced mixing. The $u = {P \over ρ}$ function computed as a function of radius in these new solar models are compared to the helioseismological results obtained for the same function by Dziembowski et al (1994). Improving the physics of the models leads to a better consistency with helioseismology. In our best model, which includes both segregation and mixing, the relative difference in the $ u $ function between the model and the helioseismological results is smaller than 0.5 per cent at all radii except at the center and the surface. Meanwhile lithium is depleted by a factor 155 and beryllium by a factor 2.9, which is consistent with the observations. The bottom of the convective zone lies at a fractional radius of 0.716, consistent with helioseismology. The neutrino fluxes are not decreased in any of these models. The models including the computations of element segregation lead to a present surface helium abundance of: $ Y_{surf} $ between 0.248 and 0.258, which is in satisfactory agreement with the value derived from helioseismology.

研究の動機と目的

• 太陽内部構造関数u = P/ρに関するヘリオセイズモロジー的制約を組み込んだ改善された太陽モデルの開発を目的とする。
• 元素分離および回転に起因する混合が、観測された軽元素の欠損とヘリオセイズモロジー的データの両方を同時に説明できるかどうかを調査することを目的とする。
• 標準的な星間物理学（拡散およびパラメータ化された混合を含む）が、非標準的仮定を用いずに観測された表面組成を再現できるかどうかを特定することを目的とする。
• 元素分離および混合の組み込みを踏まえたモデル予測のニュートリノフラックスが観測と整合的かどうかを評価することを目的とする。
• ヘリオセイズモロジーの文脈において、太陽の対流圏境界および表面ヘリウム含有量予測の信頼性を評価することを目的とする。

提案手法

• ジュネーブコードを発展させた星間進化コードを用い、ヘリウムおよび12個のより重い同素体の元素分離を計算可能に拡張した。
• Zahn（1992）の規定に従い、半径関数としての有効拡散係数によってパラメータ化された回転に起因する混合を組み込んだ。
• 5つのモデルを計算した：標準モデル、純粋分離モデル、繰り返し分離モデル、分離＋混合（Grevesse 1991の初期組成を用いる）、繰り返し混合モデル。
• 観測されたリチウムおよびイットリウムの欠損要因に一致させるために、混合効率（C_h要因）を調整した。
• モデル予測のu = P/ρプロファイルを、Dziembowskiら（1994）によるヘリオセイズモロジー的逆問題から得たものと比較し、半径方向の一貫性に注目した。
• モデルの全放射光度および半径が観測値（L = 3.851×10^34 erg/s、R = 6.959×10^10 cm）と一致するようにした。最終的な組成をGrevesse（1991）の値に適合させるための反復計算を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 元素分離および回転に起因する混合を含む太陽モデルが、u = P/ρ関数に関するヘリオセイズモロジー的制約と観測された軽元素組成の両方を同時に満たすことができるか？
• RQ2 回転に起因する混合を組み込むことで、ヘリオセイズモロジーへの一致が向上するのか、それとも対流圏境界および表面ヘリウム含有量への適合が悪化するのか？
• RQ3 観測されたリチウムおよびイットリウムの欠損（Li/Li₀ = 1/155、Be/Be₀ = 1/2.9）は、非標準的混合や拡散を仮定しなくても、標準的物理法則によってどの程度説明可能か？
• RQ4 元素分離および回転に起因する混合を含むモデルにおいて、観測された対流圏下部（r_cz/R⊙ = 0.713 ± 0.003）が整合的か？
• RQ5 半径 < 0.4 R⊙におけるu関数の乖離は、放射率または状態方程式の不確実性に起因するものであり、混合物理法則の欠陥によるものではないのだろうか？

主な発見

• 元素分離およびキャリブレーション済みの回転に起因する混合を含むモデル5は、太陽内部の大部分でu = P/ρ関数の相対的差が0.5%未満である。中心部および表面付近を除き、この範囲に収まる。
• モデル5ではリチウム含有量が155.03倍、イットリウム含有量が2.91倍に欠損し、観測された欠損要因（Li/Li₀ = 1/140、Be/Be₀ = 1/2）に非常に近い。
• モデル5では対流圏下部がr_cz/R⊙ = 0.716に位置し、ヘリオセイズモロジー測定値（0.713 ± 0.003）と整合的である。
• モデル5の表面ヘリウム含有量（Y_surf = 0.2584）は、ヘリオセイズモロジーによって予測される範囲（0.248–0.258）に収まり、観測的制約とも整合的である。
• ニュートリノフラックスはすべてのモデルで変化せず、高い水準を維持しており、分離または混合の組み込みによって観測されたニュートリノフラックスが低下しないことが示された。
• 混合を組み込んでも、モデル5は反復なしのモデル4よりもヘリオセイズモロジーのデータに近い。これは、改善された物理法則が観測とより良い一致をもたらすことを示している。