[论文解读] Amplitudes of solar-like oscillations in red-giant stars: Evidences for non-adiabatic effects using CoRoT observations

R. Samadi, K. Belkacem+6 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 22

一句话总结

本研究利用CoRoT数据，研究红巨星中类太阳振荡的振幅，采用三维流体动力学模型和非绝热脉动代码计算模态能量供应速率及强度-速度标度关系。结果表明，非绝热效应显著减小了理论与观测之间的差异，特别是在强度振幅方面；然而仍存在40%的低估，表明当前对湍流-脉动耦合的理论处理仍存在局限性。

ABSTRACT

A growing number of solar-like oscillations has been detected in red giant stars thanks to CoRoT and Kepler space-crafts. The seismic data gathered by CoRoT on red giant stars allow us to test mode driving theory in physical conditions different from main-sequence stars. Using a set of 3D hydrodynamical models representative of the upper layers of sub- and red giant stars, we computed the acoustic mode energy supply rate (Pmax). Assuming adiabatic pulsations and using global stellar models that assume that the surface stratification comes from the 3D hydrodynamical models, we computed the mode amplitude in terms of surface velocity. This was converted into intensity fluctuations using either a simplified adiabatic scaling relation or a non-adiabatic one. From L and M (the luminosity and mass), the energy supply rate Pmax is found to scale as (L/M)^2.6 for both main-sequence and red giant stars, extending previous results. The theoretical amplitudes in velocity under-estimate the Doppler velocity measurements obtained so far from the ground for red giant stars by about 30%. In terms of intensity, the theoretical scaling law based on the adiabatic intensity-velocity scaling relation results in an under-estimation by a factor of about 2.5 with respect to the CoRoT seismic measurements. On the other hand, using the non-adiabatic intensity-velocity relation significantly reduces the discrepancy with the CoRoT data. The theoretical amplitudes remain 40% below, however, the CoRoT measurements. Our results show that scaling relations of mode amplitudes cannot be simply extended from main-sequence to red giant stars in terms of intensity on the basis of adiabatic relations because non-adiabatic effects for red giant stars are important and cannot be neglected. We discuss possible reasons for the remaining differences.

研究动机与目标

• 在与主序星不同的物理条件下，检验红巨星中模态驱动理论。
• 利用CoRoT观测评估绝热标度关系在红巨星模态振幅中的有效性。
• 确定红巨星上部对流层中的非绝热效应是否显著改变振幅预测。
• 将理论速度振幅与强度振幅与CoRoT的观测地震数据相协调。
• 查明尽管进行了非绝热修正，理论与观测之间仍存在持续差异的原因。

提出的方法

• 使用一组代表次巨星和红巨星上部对流区的三维流体动力学模型。
• 在绝热脉动假设下，利用这些三维模型计算声模态能量供应速率（P_max）。
• 应用具有由三维流体动力学结果得出的表面分层结构的全局恒星模型，计算表面速度振幅。
• 使用绝热和非绝热标度关系，将速度振幅转换为强度涨落。
• 采用MAD非绝热脉动代码，推导出非绝热强度-速度关系，标度指数为k = 0.25 ± 0.05。
• 推导出以L/M、T_eff和表面重力表示的强度振幅理论标度律，其中p*′ = 1.63 ± 0.15。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用绝热假设计算时，红巨星中类太阳振荡的理论振幅与CoRoT观测相比如何？
• RQ2 红巨星上部对流层中的非绝热效应在多大程度上改变了模态振幅与恒星参数之间的标度关系？
• RQ3 为何绝热强度-速度标度关系无法匹配CoRoT对红巨星振荡的光度测量？
• RQ4 使用非绝热脉动代码（MAD）对红巨星中强度振幅的理论预测有何影响？
• RQ5 哪些物理因素可能解释非绝热理论与观测到的CoRoT强度振幅之间仍存在的40%差异？

主要发现

• 能量供应速率P_max对主序星和红巨星均呈现(L/M)^2.6的标度关系，扩展了先前结果。
• 在红巨星中，理论速度振幅比地面Doppler速度测量值约低30%。
• 绝热强度-速度标度关系将CoRoT强度振幅低估了约2.5倍。
• 使用非绝热强度-速度关系可使与CoRoT数据的差异减小约1.5倍，但理论振幅仍比观测值低约40%。
• 非绝热强度振幅标度律为(δL/L)_max ∝ (L/M)^s/2+k，其中s = 2.0 ± 0.1，k = 0.25 ± 0.05，以T_eff和表面重力表示的总标度指数为p*′ = 1.63 ± 0.15。
• 残余差异归因于当前非绝热处理中对湍流-脉动耦合的局限性，以及基础模型中采用简化的混合长理论。