[论文解读] 3D hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars: I. Atmospheric structure of a giant located near the RGB tip

H.‐G. Ludwig, A. Kučinskas|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 24

一句话总结

本研究基于3D流体动力学CO5BOLD模型，对一颗接近红巨星支顶端的红巨星（Teff=3660 K，log g=1.0，[M/H]=0.0）进行模拟，揭示了强度对比度达18%的米粒组织结构，以及强烈的激波波（垂直方向马赫数~2.5，水平方向~6.0）。湍流压力在总压力中占比高达35%，表明无论怎样调整混合长度参数与湍流压力的组合，标准1D模型均无法再现该3D温度结构。

ABSTRACT

We investigate the character and role of convection in the atmosphere of a prototypical red giant located close to the red giant branch (RGB) tip with atmospheric parameters, Teff=3660K, log(g)=1.0, [M/H]=0.0. Differential analysis of the atmospheric structures is performed using the 3D hydrodynamical and 1D classical atmosphere models calculated with the CO5BOLD and LHD codes, respectively. All models share identical atmospheric parameters, elemental composition, opacities and equation-of-state. We find that the atmosphere of this particular red giant consists of two rather distinct regions: the lower atmosphere dominated by convective motions and the upper atmosphere dominated by wave activity. Convective motions form a prominent granulation pattern with an intensity contrast (~18%) which is larger than in the solar models (~15%). The upper atmosphere is frequently traversed by fast shock waves, with vertical and horizontal velocities of up to Mach ~2.5 and ~6.0, respectively. The typical diameter of the granules amounts to ~5Gm which translates into ~400 granules covering the whole stellar surface. The turbulent pressure in the giant model contributes up to ~35% to the total (i.e., gas plus turbulent) pressure which shows that it cannot be neglected in stellar atmosphere and evolutionary modeling. However, there exists no combination of the mixing-length parameter and turbulent pressure that would allow to satisfactorily reproduce the 3D temperature-pressure profile with 1D atmosphere models based on a standard formulation of mixing-length theory.

研究动机与目标

• 利用3D流体动力学建模研究一颗接近RGB顶端的红巨星的大气结构。
• 评估1D混合长度理论（MLT）在再现类巨星对流效应方面的局限性。
• 量化湍流压力与波活动在塑造恒星大气中的作用。
• 在相同输入参数（消光系数、成分、状态方程）下，将3D流体动力学结果与经典1D模型进行对比。
• 评估1D模型是否可通过调节参数（如αMLT与P_turb）再现3D压力-温度结构。

提出的方法

• 使用CO5BOLD代码在球对称几何下求解辐射-流体动力学方程，开展3D流体动力学模拟。
• 利用LHD代码计算1D模型大气，采用与3D模型相同的大气参数、成分、消光系数与状态方程，以实现直接对比。
• 对3D与1D模型的温度、压力、速度与强度结构进行差异性分析。
• 从3D模型的表面亮度图中计算强度对比度与米粒斑大小。
• 通过插值1D熵分布，推导出与3D模型匹配的有效混合长度参数（αMLT）。
• 评估湍流压力对总压力的贡献及其对大气结构的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与太阳相比，接近RGB顶端的红巨星在米粒组织与强度对比度方面，其3D对流结构有何不同？
• RQ2 湍流压力在红巨星大气结构中起多大作用？是否可在1D模型中实现匹配？
• RQ3 1D模型中αMLT与湍流压力的任意组合能否再现该类巨星的3D压力-温度分布？
• RQ4 该巨星上层大气中的激波波动力学与太阳大气相比有何异同？
• RQ5 为在1D框架中匹配3D模型的熵结构，所需的有效混合长度参数是多少？

主要发现

• 3D模型表现出表面米粒组织结构，其强度对比度约为18%，高于太阳的约15%。
• 该巨星模型中的米粒斑典型直径约为5 Gm，覆盖恒星表面约400个米粒斑。
• 上层大气中的激波波马赫数可达约2.5（垂直方向）与约6.0（水平方向），显著强于太阳。
• 在外层大气中，湍流压力最高可占总压力的约35%，表明其在大气结构中起关键作用。
• 无论怎样调整αMLT与湍流压力的组合，1D模型均无法再现3D压力-温度分布，凸显标准MLT的根本局限性。
• 通过1D插值得到的有效混合长度参数为αMLT=1.8，但由于αMLT与湍流压力之间的相互作用，该解并非唯一。