[论文解读] Chemical mixing in low mass stars: I. Rotation against atomic diffusion including radiative accelerations

Morgan Deal, M. J. Goupil+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用 15

一句话总结

本研究利用恒星演化模型，调查了低质量恒星中原子扩散（包括辐射加速度）与旋转诱导混合之间的竞争关系。研究发现，旋转在1.3 M⊙以下时可抑制原子扩散引起的过度表面丰度变化；但在1.44 M⊙以上，除非旋转较强，否则原子扩散占主导，导致观测中未发现的化学异常。在恒星参数反演中忽略这两种过程，会导致F型星的年龄误差高达25%、质量误差5%、半径误差2.5%。

ABSTRACT

When modelling stars with masses larger than 1.2Msun with no observed chemical peculiarity, atomic diffusion is often neglected because, on its own, it causes unrealistic surface abundances compared with those observed. The reality is that atomic diffusion is in competition with other transport processes. The purpose of this study is to quantify the opposite or conjugated effects of atomic diffusion and rotationally induced mixing in stellar models of low mass stars. Our second goal is to estimate the impact of neglecting both rotational mixing and atomic diffusion in stellar parameter inferences for stars with masses larger than 1.3Msun. Using the AIMS code, we infer the masses and ages of a set of representative artificial stars for which models were computed with the CESTAM evolution code, taking into account rotationally induced mixing and atomic diffusion, including radiative accelerations. We show that for masses lower than 1.3Msun, rotation dominates the transport of chemical elements, and strongly reduces the effect of atomic diffusion, with net surface abundance modifications similar to solar ones. At larger mass, atomic diffusion and rotation are competing equally. Above 1.44Msun, atomic diffusion dominates in stellar models with initial rotation smaller than 80km.s-1 producing a chemical peculiarity which is not observed in Kepler-legacy stars. This indicates that a transport process of chemical elements is missing. Importantly, neglecting rotation and atomic diffusion (including radiative accelerations) in the models, when inferring the parameters of F-type stars, may lead to errors of 5%, 2.5% and 25% respectively for stellar masses, radii and ages. Atomic diffusion (including radiative accelerations) and rotational mixing should be taken into account in stellar models in order to determine accurate stellar parameters.

研究动机与目标

• 量化低质量恒星中原子扩散（包括辐射加速度）与旋转诱导混合之间的相互作用。
• 评估旋转混合是否能防止F型星中由原子扩散引起的强烈表面丰度变化。
• 评估在质量大于1.3 M⊙的恒星中，若在模型网格中忽略原子扩散与旋转混合，对恒星参数反演的影响。
• 确定是否需要引入一种额外的输运过程，以使模型与开普勒恒星的观测结果相一致。

提出的方法

• 使用CESTAM演化代码计算恒星模型，包含旋转诱导混合与带辐射加速度的原子扩散。
• 基于这些模型，创建了具有已知质量、年龄和表面丰度的人工恒星。
• 使用AIMS恒星参数反演代码，从星震学与经典观测约束中恢复恒星参数，所用模型网格中排除了原子扩散与旋转。
• 通过将反演值与人工恒星的真实值比较，量化参数反演误差。
• 分析在太阳金属丰度下进行，同时对包层旋转与均匀旋转分布进行了独立测试。
• 通过比较不同假设下的结果，评估模型的鲁棒性及优化方法选择的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转在多大程度上缓解了原子扩散对低质量恒星表面丰度的影响？
• RQ2 原子扩散与旋转的综合效应在多大程度上能再现F型星的观测表面丰度？
• RQ3 当在模型网格中忽略原子扩散与旋转混合时，对恒星参数反演会产生何种后果？
• RQ4 开普勒恒星中未观测到化学异常，是否意味着存在超越原子扩散与旋转的额外输运过程？
• RQ5 关于旋转的假设（包层旋转 vs. 均匀旋转）如何影响原子扩散与混合之间的竞争？

主要发现

• 对于质量低于1.3 M⊙的恒星，旋转主导于原子扩散，导致表面丰度变化与太阳值相似。
• 在质量高于1.44 M⊙且初始旋转速度小于80 km s⁻¹时，原子扩散占主导，产生观测中未发现的化学异常。
• 在恒星参数反演中忽略原子扩散与旋转混合，会导致F型星的质量误差约5%、半径误差2.5%，年龄误差高达25%。
• 辐射加速度显著影响表面丰度（最高达0.1 dex），在1.3–1.4 M⊙范围内对精确参数反演至关重要。
• 当假设均匀旋转而非包层旋转时，原子扩散的影响更强，甚至在1.3 M⊙时也会导致表面丰度不一致。
• 结果表明，为使模型与观测一致，特别是对质量超过1.3 M⊙的恒星，需要引入额外的化学混合过程，并对旋转混合的公式进行修正。