[论文解读] Evolution of asymptotic giant branch stars I. Updated synthetic TP-AGB models and their basic calibration

Paola Marigo, L. Girardi|ArXiv.org|Mar 7, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用 229

一句话总结

本论文基于可变分子灰度、改进的质量损失方案以及校准的第三 dredge-up 效率，为低质量与中等质量恒星（0.5–5.0 M⊙，Z = 0.0001–0.03）构建了更新的合成 TP-AGB 模型。这些模型成功再现了大麦哲伦云星团中的碳星光度函数与星等分布，为不同金属丰度下的星族合成与综合光建模提供了一致且经过校准的框架。

ABSTRACT

We present new synthetic models of the TP-AGB evolution. They are computed for 7 values of initial metal content (Z from 0.0001 to 0.03) and for initial masses between 0.5 and 5.0 Msun, thus extending the low- and intermediate-mass tracks of Girardi et al. (2000) until the beginning of the post-AGB phase. The calculations are performed by means of a synthetic code that incorporates many recent improvements, among which we mention: (1) the use of detailed and revised analytical relations to describe the evolution of quiescent luminosity, inter-pulse period, third dredge-up, hot bottom burning, pulse cycle luminosity variations, etc.; (2) the use of variable molecular opacities -- i.e. opacities consistent with the changing photospheric chemical composition -- in the integration of a complete envelope model, instead of the standard choice of scaled-solar opacities; (3) the use of formalisms for the mass-loss rates derived from pulsating dust-driven wind models of C- and O-rich AGB stars; and (4) the switching of pulsation modes between the first overtone and the fundamental one along the evolution, which has consequences in terms of the history of mass loss. It follows that, in addition to the time evolution on the HR diagram, the new models predict in a consistent fashion also variations in surface chemical compositions, pulsation modes and periods, and mass-loss rates. The onset and efficiency of the third dredge-up process are calibrated in order to reproduce basic observables like the carbon star luminosity functions in the Magellanic Clouds, and TP-AGB lifetimes (star counts) in Magellanic Cloud clusters. Forthcoming papers will present the theoretical isochrones and chemical yields derived from these tracks, and additional tests performed with the aid of a complete population synthesis code.

研究动机与目标

• 开发一个自洽的、合成的 TP-AGB 演化模型，能够再现大麦哲伦云中的关键观测约束。
• 通过使分子灰度可变且与组成相关，改进其处理方式，纠正固定缩放太阳灰度带来的误差。
• 利用大麦哲伦云星团中观测到的光度函数与星等分布，对第三 dredge-up 与质量损失过程进行校准。
• 实现与现有从 ZAMS 到 TP-AGB 演化轨迹的无缝集成，以支持完整的星族合成应用。
• 整合脉动模式切换（基模与第一倍频）及其对质量损失历史的影响。

提出的方法

• 模型通过一种合成代码计算，该代码整合了从详细恒星模型中导出的核心质量-光度关系、脉冲间期以及脉冲周期变化的解析关系。
• 在整个包层演化过程中使用可变分子灰度，根据第三 dredge-up 与热底燃烧引起的 C/O 和 C/N 比值变化进行自适应调整。
• 质量损失率基于脉动尘埃驱动风模型，分别适用于碳丰富的与氧丰富的 AGB 恒星。
• 在演化轨迹上动态模拟基模与第一倍频之间的脉动模式切换，影响质量损失历史。
• 通过大麦哲伦云星团中观测到的碳星光度函数与 M 型星和 C 型星的星等分布，对第三 dredge-up 效率进行校准。
• 通过将预测的 TP-AGB 恒星寿命与光度同观测到的星等分布及综合光行为进行比较，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 与固定缩放太阳灰度相比，使用可变分子灰度如何影响 TP-AGB 恒星的演化与可观测特性？
• RQ2 为再现大麦哲伦云中观测到的碳星光度函数，第三 dredge-up 的效率需达到何种水平？
• RQ3 脉动模式转换（基模与第一倍频）如何影响质量损失率及由此产生的演化轨迹？
• RQ4 在采用更新的质量损失与 dredge-up 方案后，能否再现大麦哲伦云星团中观测到的 TP-AGB 恒星寿命？
• RQ5 热底燃烧与金属丰度变化在多大程度上影响 TP-AGB 阶段从 M 型星向 C 型星的转变？

主要发现

• 使用可变分子灰度显著改变了碳丰富的 AGB 恒星的演化，特别是在红光度区域，纠正了长期存在的固定缩放太阳灰度带来的误差。
• 经校准的第三 dredge-up 效率成功再现了大麦哲伦云中 LMC 与 SMC 的观测碳星光度函数，尤其在初始质量约为 1.7–2.5 M⊙ 且 Z ≈ 0.008 的恒星中表现良好。
• 仅当第三 dredge-up 的启动被延迟时，模型才能再现 LMC 星团中 M 型星寿命的观测峰值，这与 K02 提出的 M_c^min(M,Z) 形式一致。
• 在大麦哲伦云中，C 型星寿命随初始质量增加而减少，这一现象由更高的光度（更早进入超风阶段）与大质量恒星中的热底燃烧共同解释。
• 引入基模与第一倍频之间的脉动模式切换，显著提升了质量损失历史预测的一致性，并为利用变星巡天数据开辟了新的校准途径。
• 合成演化轨迹与先前的 ZAMS 到 TP-AGB 模型（Girardi et al. 2000）无缝衔接，确保了核心质量与表面组成的一致性，从而实现了从 ZAMS 到白矮星阶段的完整星族合成。