[論文レビュー] Rotational mixing in low-mass stars II. Self-consistent models of Pop II RGB stars

A. Palacios, C. Charbonnel+2 more|ArXiv.org|Feb 17, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 73被引用数 120

ひとこと要約

本研究では、メルジオナル循環およびせん断乱流による回転混合を含む、低金属量のPop II赤白色巨星分枝（RGB）星の最初の自己整合的進化モデルを提示する。微分回転を仮定した対流包層——これは混合を強化する——にもかかわらず、RGBのふちにおける観測された元素比異常（例：12C/13Cが低い、窒素が増加、リチウムが枯渇）を再現できない。これは、せん断によって引き起こされる乱流だけでは、余分な混合を説明するのに不十分であることを示している。

ABSTRACT

In this paper we study the effects of rotation in low-mass, low-metallicity RGB stars. We present the first evolutionary models taking into account self-consistently the latest prescriptions for the transport of angular momentum by meridional circulation and shear turbulence in stellar interiors as well as the associated mixing processes for chemicals computed from the ZAMS to the upper RGB. We discuss in details the uncertainties associated with the physical description of the rotational mixing and study carefully their effects on the rotation profile, diffusion coefficients, structural evolution, lifetimes and chemical signatures at the stellar surface. We focus in particular on the various assumptions concerning the rotation law in the convective envelope, the initial rotation velocity distribution, the presence of mean molecular weight gradients and the treatment of the horizontal and vertical turbulence. This exploration leads to two main conclusions : (1) After the completion of the first dredge-up, the degree of differential rotation (and hence mixing) is maximised in the case of a differentially rotating convective envelope (i.e., j_CE(r) = cst), as anticipated in previous studies. (2) Even with this assumption, and contrary to some previous claims, the present treatment for the evolution of the rotation profile and associated meridional circulation and shear turbulence does not lead to enough mixing of chemicals to explain the abundance anomalies in low-metallicity field and globular cluster RGB stars observed around the bump luminosity. This study raises questions that need to be addressed in a near future. These include for example the interaction between rotation and convection and the trigger of additional hydrodynamical instabilities.

研究の動機と目的

• 自己整合的進化モデルを用いて、低質量・低金属量RGB星における回転混合の影響を調査すること。
• 回転輸送メカニズムの不確実性が表面元素比、構造的進化、および寿命に与える影響を評価すること。
• 現在のメルジオナル循環およびせん断乱流の処理が、フィールド星および球状星団の巨星における観測された元素比異常を再現できるかどうかを特定すること。
• 対流包層における微分回転が混合効率に与える役割を評価すること。
• 特に、回転と対流の結合および追加の流体力学的不安定性の役割に関して、現在のモデルにおけるギャップを特定すること。

提案手法

• 更新された角運動量および元素混合輸送処理を用いて、零星主系列（ZAMS）から上部RGBまで星の進化モデルを発展させた。
• Zahnの形式に基づく、回転プロファイルに依存する可変拡散係数を用いた、メルジオナル循環およびせん断乱流の自己整合的取り扱いを組み込んだ。
• 主な仮定を変化させた：対流包層内の回転則（一様 vs. 微分回転）、初期回転速度分布、μ勾配の有無、水平および垂直乱流の取り扱い。
• RGB全域における回転プロファイル、拡散係数、構造的パラメータ、表面元素比（例：12C/13C、Li、N）の進化を追跡した。
• オープンクラスタ、フィールド星、および球状星団（例：M67、NGC 6528、M4）の観測データと比較し、RGBふちの明るさでモデル予測を検証した。
• 回転誘発混合に伴う「Liフラッシュ」および構造的反応が、余分な混合を強化する可能性があるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流包層における微分回転は、一様回転と比較して、低金属量RGB星における回転混合を強化するか？
• RQ2 現在のせん断誘発乱流およびメルジオナル循環の処理は、RGBふちの明るさにおいて観測された低12C/13C比および増加した窒素を再現できるか？
• RQ3 初期回転速度分布およびμ勾配の取り扱いの不確実性が、予測された表面元素比に与える影響は何か？
• RQ4 追加の流体力学的不安定性（例：ストロベリック、GSF、ソルベール＝ホイレイランド）が、定常的せん断不安定性を超える混合を強化する役割を果たすか？
• RQ5 回転誘発混合に伴う構造的および核反応的反応（例：「Liフラッシュ」）は、観測された元素比異常を十分に説明できるか？

主な発見

• 対流包層における微分回転（j_CE(r) = 定数）は、微分回転度および関連する混合度を最大にする。これは、従来の理論的予想を確認するものである。
• 微分回転を仮定しても、せん断誘発乱流モデルは、RGBふちにおける観測された低12C/13C比および窒素増加を説明するのに十分な元素混合を生じさせない。
• モデルが予測する拡散係数は観測値と比べて低く、せん断乱流だけでは余分な混合プロセスを説明するのに不十分であることを示している。
• 本研究では、今後のモデルに内部重力波や他の流体力学的不安定性といった追加の輸送メカニズムを組み込む必要があると指摘している。
• 「Liフラッシュ」機構——7Li燃焼に伴うエネルギー放出が混合を強化する——は、まだ検証されていないが、混合を強化する可能性がある有効なメカニズムであり、現在のフレームワークには組み込まれていない。
• 結果から、現在の回転と対流の結合は不十分であり、今後のモデルは、進化過程における回転状態の遷移を含む、より複雑な相互作用を考慮する必要があると示唆している。