[论文解读] Amplitudes of stochastically excited oscillations in main-sequence stars

G. Houdek, Neil J. Balmforth+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 46

一句话总结

本文使用包含湍流压力和湍流热通量的非局域、时变混合长模型，计算主序星中随机激发的径向振荡的振幅。结果表明，振幅随恒星质量增加而增大，在1.6 M☉（F2型光谱）时达到峰值，此时速度振幅约为太阳的15倍，支持随机激发是稳定恒星中类太阳振荡的主要机制。

ABSTRACT

We present estimates of the amplitudes of intrinsically stable stochastically excited radial oscillations in stars near the main sequence. The amplitudes are determined by the balance between acoustical energy generation by turbulent convection (the Lighthill mechanism) and linear damping. Convection is treated with a time-dependent, nonlocal, mixing-length model, which includes both convective heat flux and turbulent pressure in both the equilibrium model and the pulsations. Velocity and luminosity amplitudes are computed for stars with masses between 0.9 M_\sun and 2.0 M_\sun in the vicinity of the main sequence, for various metallicities and convection parameters. As in previous studies, the amplitudes are found to increase with stellar mass, and therefore with luminosity. Amongst those stars that are pulsationally stable, the largest amplitudes are predicted for a 1.6 M_\sun model of spectral type F2; the values are approximately 15 times larger than those measured in the Sun.

研究动机与目标

• 估算主序附近固有稳定、随机激发的p模在主序星中的振幅。
• 研究对流——特别是湍流压力和对流热通量——如何调节脉动中激发与阻尼之间的平衡。
• 在随机激发的背景下，确定振荡振幅对恒星质量、金属丰度和对流参数的依赖关系。
• 通过将预测振幅与观测值比较，验证随机激发机制作为类太阳振荡主要驱动力的合理性。
• 确定赫罗图中脉动稳定模态可被激发至可观测振幅的区域。

提出的方法

• 在平衡态和脉动计算中均采用包含湍流压力和对流热通量的时变、非局域混合长对流模型。
• 使用二阶精度的牛顿-拉夫森-康托罗维奇算法求解线性化脉动方程，同时计算本征函数和本征值。
• 采用准绝热近似完成非绝热系统，以绝热本征函数作为试探解。
• 施加边界条件：在温度最小值处为完全反射的表面，以及在包层底部为绝热且位移为零的条件。
• 在平衡态和脉动模型中均采用爱丁顿近似处理辐射传热，以描述辐射阻尼和能量交换。
• 通过平衡湍流对流产生的随机激发（通过Lighthill机制）与线性阻尼来计算阻尼率和振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 在主序星中，随机激发的径向振荡振幅如何随恒星质量和光度变化？
• RQ2 湍流压力和对流热通量在决定类太阳恒星脉动稳定性和振幅方面起什么作用？
• RQ3 在主序附近哪些恒星模型由于随机激发而表现出最大的可观测振荡振幅？
• RQ4 不同的金属丰度和对流参数如何影响p模的预测振幅？
• RQ5 预测振幅在多大程度上与观测值一致，特别是与太阳相比？

主要发现

• 随机激发的径向振荡振幅随恒星质量和光度增加而增大，与先前的理论预期一致。
• 预测的最大速度振幅出现在1.6 M☉的F2型恒星模型中，其振幅约为太阳观测值的15倍。
• 该模型证实，当在非局域对流处理中包含湍流压力和对流热通量时，径向模态是稳定的。
• 与忽略湍流压力的模型相比，对流模型中引入湍流压力显著影响了阻尼率和振幅预测。
• 结果支持随机激发机制是类太阳振荡的主要来源，因为其预测振幅与太阳观测值在数量级上一致。
• 本研究在赫罗图中识别出一个明显区域，其中随机激发的振荡最为显著，峰值位于1.6 M☉和F2型光谱。