[論文レビュー] Thermohaline instability and rotation-induced mixing. III - Grid of stellar models and asymptotic asteroseismic quantities from the pre-main sequence up to the AGB for low- and intermediate-mass stars at various metallicities

N. Lagarde, T. Decressin+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 83被引用数 141

ひとこと要約

本研究は、原始系列からAGBまでの低・中質量星の進化モデルの包括的グリッドを提示する。金属量Z = 0.0001〜0.014の4つの値で、回転に起因する混合と熱塩素不安定性を組み込み、大周波数間隔（Δν）、ν_max、A_max、および漸近的周期間隔といったグローバル星震動パラメータを計算した。回転に起因する混合はこれらの量に顕著な影響を及ぼすが、光譜的に検出可能ではあるものの、熱塩素混合はここでのグローバル星震動観測量に影響を及ぼさない。

ABSTRACT

The availability of asteroseismic constraints for a large sample of stars from the missions CoRoT and Kepler paves the way for various statistical studies of the seismic properties of stellar populations. In this paper, we evaluate the impact of rotation-induced mixing and thermohaline instability on the global asteroseismic parameters at different stages of the stellar evolution from the Zero Age Main Sequence to the Thermally Pulsating Asymptotic Giant Branch to distinguish stellar populations. We present a grid of stellar evolutionary models for four metallicities (Z = 0.0001, 0.002, 0.004, and 0.014) in the mass range between 0.85 to 6.0 Msun. The models are computed either with standard prescriptions or including both thermohaline convection and rotation-induced mixing. For the whole grid we provide the usual stellar parameters (luminosity, effective temperature, lifetimes, ...), together with the global seismic parameters, i.e. the large frequency separation and asymptotic relations, the frequency corresponding to the maximum oscillation power ν_{max}, the maximal amplitude A_{max}, the asymptotic period spacing of g-modes, and different acoustic radii. We discuss the signature of rotation-induced mixing on the global asteroseismic quantities, that can be detected observationally. Thermohaline mixing whose effects can be identified by spectroscopic studies cannot be caracterized with the global seismic parameters studied here. But it is not excluded that individual mode frequencies or other well chosen asteroseismic quantities might help constraining this mixing.

研究の動機と目的

• 回転に起因する混合および熱塩素不安定性が星の進化全般にわたるグローバル星震動パラメータに与える影響を評価すること。
• 低・中質量星の原始系列からAGBに至るまでの、さまざまな金属量における完全な星のモデルグリッドを提供すること。
• CoRoTおよびKepler観測と比較可能な古典的星のパラメータとグローバル星震動量を供給することで、統計的星震動研究を可能にすること。
• 特に同じ光度と表面温度を示すが異なる進化段階にある星において、非標準的混合プロセスの観測可能な特徴を特定すること。
• 表面組成に顕著な影響を与えることが知られている熱塩素混合を、グローバル星震動パラメータが検出できない限界を評価すること。

提案手法

• 初期質量 0.85 〜 6.0 M⊙、金属量 Z = 0.0001, 0.002, 0.004, 0.014 の星の進化モデルのグリッドを計算。
• 標準的物理と非標準的プロセス（回転に起因する混合：循環と乱流のせん断）および熱塩素対流を含む。
• 既知のスケーリング則を用いてグローバル星震動パラメータを計算：Δν（大周波数間隔）、ν_max（最大パワー周波数）、A_max（最大振動振幅）。
• 漸近的量として、Δν_asympt（漸近的大周波数間隔）、t_BCE（対流包層底部での音響半径）、t_He（ヘリウムIIイオン化領域での音響半径）、T（全音響半径）、ΔΠ（ℓ=1モードの周期間隔）をgモード用に計算。
• 原始系列から準巨星分岐、赤巨星分岐を経て、熱脈動AGB段階まで、これらのパラメータの進化を追跡。
• 非標準的混合を含むモデルと含まないモデルを比較し、回転および熱塩素プロセスが観測可能な星震動特徴に与える影響を分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転に起因する混合は、ヘルツシュプル・ラスケ図全体にわたり、大周波数間隔（Δν）および最大パワー周波数（ν_max）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 表面組成に顕著な影響を与えることが知られている熱塩素混合が、Δν、ν_max、A_maxといったグローバル星震動パラメータでは検出可能か？
• RQ3 Δν や A_max といった星震動パラメータは、同じ表面温度と光度を示す星（例：HRギャップ付近の1.5 M⊙星と原始系列の2.0 M⊙星）を、異なる進化段階に分類できる程度にどれほど有効か？
• RQ4 回転および熱塩素混合の影響を受ける期間、TP-AGB段階における漸近的星震動量（例：t_BCE、t_He、ΔΠ）はどのように進化するか？
• RQ5 異なる金属量を有する星の集団において、観測された星震動特性の分散に、回転と熱塩素混合の寄与はそれぞれどの程度か？

主な発見

• 回転に起因する混合は、特に準巨星分岐およびヘリウム燃焼段階で、Δν、ν_max、A_max といったグローバル星震動パラメータに顕著な影響を及ぼす。
• 熱塩素混合は表面組成に強い影響を与えるが、ここでの研究対象である光度、表面温度、およびグローバル星震動パラメータに影響を及ぼさない。
• 同じ表面温度と光度を示す星（例：HRギャップ付近の1.5 M⊙星と原始系列の2.0 M⊙星）は、Δν や A_max の値が著しく異なるため、区別可能である。
• 同じ進化段階においては、星の質量が増加するにつれて大周波数間隔Δνが減少するが、回転に起因する混合によりこの差が強化される。
• 最大振幅A_maxは星の質量および平均密度に敏感であり、回転モデルでは構造的変化のため、準巨星段階でより高い振幅を示す。
• t_BCE、t_He、ΔΠ（ℓ=1）といった漸近的量は内部構造の追加的制約を提供し、回転により変化するが、熱塩素混合による影響は認められない。