[论文解读] Evolution of asymptotic giant branch stars II. Optical to far-infrared isochrones with improved TP-AGB models

Paola Marigo, L. Girardi+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 111被引用 882

一句话总结

本文提出了新的渐近巨星支（TP-AGB）恒星理论等距线，整合了改进的物理过程，包括第三次上翻、热底燃烧、可变分子灰度系数以及尘埃再辐射效应。通过将详细的TP-AGB演化轨迹与合成测光及尘埃模型相结合，等距线准确再现了C型恒星的冷红尾迹、脉动模式转换以及增强的质量损失率，在光学至远红外测光系统中显著提升了预测精度。

ABSTRACT

We present a large set of theoretical isochrones, whose distinctive features mostly reside on the greatly improved treatment of the thermally pulsing asymptotic giant branch (TP-AGB) phase. Essentially, we have coupled the TP-AGB tracks described in Paper I, at their stages of pre-flash quiescent H-shell burning, with the evolutionary tracks for the previous evolutionary phases from Girardi et al. (2000). Theoretical isochrones for any intermediate value of age and metallicity are then derived by interpolation in the grids. We take care that the isochrones keep, to a good level of detail, the several peculiarities present in these TP-AGB tracks. Theoretical isochrones are then converted to about 20 different photometric systems -- including traditional ground-based systems, and those of recent major wide-field surveys such as SDSS, OGLE, DENIS, 2MASS, UKIDSS, etc., -- by means of synthetic photometry applied to an updated library of stellar spectra, suitably extended to include C-type stars. Finally, we correct the predicted photometry by the effect of circumstellar dust during the mass-losing stages of the AGB evolution, which allows us to improve the results for the optical-to-infrared systems, and to simulate mid- and far-IR systems such as those of Spitzer and AKARI. Access to the data is provided both via a web repository of static tables (http://stev.oapd.inaf.it/dustyAGB07 and CDS), and via an interactive web interface (http://stev.oapd.inaf.it/cmd) that provides tables for any intermediate value of age and metallicity, for several photometric systems, and for different choices of dust properties.

研究动机与目标

• 解决理论等距线中热脉动渐近巨星支（TP-AGB）阶段长期存在的建模不足问题，该问题严重影响星族年龄与金属丰度估计的准确性。
• 整合关键物理过程，如第三次上翻、热底燃烧和可变分子灰度系数，以准确再现C型恒星及其在颜色-星等图中的冷红序列的观测特性。
• 将包层尘埃效应整合至合成测光中，以模拟演化AGB恒星辐射的再辐射过程，实现在光学、近红外、中红外及远红外测光系统中的真实预测。
• 建立一个一致的框架，将质量损失率、尘埃凝结与风膨胀速度与恒星参数关联，提升演化轨迹的真实性。

提出的方法

• 将论文I中预闪平静氢壳燃烧的TP-AGB演化轨迹与Girardi等人（2000年）早期演化阶段的模型相结合，构建完整的等距线。
• 采用更新的恒星谱库并扩展以包含C型恒星，通过合成测光计算约20个测光系统（包括SDSS、2MASS、UKIDSS和Spitzer/IRAC）的星等。
• 应用尘埃再辐射模型，模拟包层尘埃的辐射发射，考虑随恒星参数（L、T_eff、M_dot、C/O、Z）变化的尘气比与风膨胀速度。
• 通过与大麦哲伦云星团中观测到的C型恒星光度函数和星数对比，校准第三次上翻效率与质量损失方案，确保与观测一致。
• 采用年龄与金属丰度网格的插值方法，生成任意中间值的等距线，可通过交互式与静态网页界面访问。
• 基于银河系盘面与大、小麦哲伦云的观测数据对结果进行验证，重点聚焦于光学至中红外颜色-星等图。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在足够精细的物理细节下建模TP-AGB阶段，以准确再现颜色-星等图中C型恒星的冷红尾迹？
• RQ2 对第三次上翻与热底燃烧的改进处理在多大程度上影响星族中AGB恒星的预测寿命与光度？
• RQ3 可变分子灰度系数与尘埃再辐射如何影响AGB恒星在光学至远红外波段的测光表现？
• RQ4 能否建立一个一致的质量损失形式化方法，区分M型与C型恒星，以再现观测到的脉动模式转换与超风阶段？
• RQ5 新等距线在多大程度上提升了在分辨星系与高红移系统中综合星族模型的准确性？

主要发现

• 由于对分子灰度系数与尘埃再辐射的精确处理，等距线成功再现了C型恒星在近红外与中红外颜色-星等图中的典型冷红尾迹。
• 在最高质量的AGB恒星中引入热底燃烧，可防止其演化为C型恒星，与不同金属丰度区域中C型恒星比例的观测约束一致。
• 模型预测了从第一谐波到基频脉动模式的过渡，该过渡与质量损失率增加相关，显著提升了演化轨迹的真实性。
• 质量损失率在M型向C型恒星过渡时显著增加，其驱动力来自表面化学与尘埃形成的改变，且在TP-AGB后期阶段达到超风状态。
• 当第三次上翻参数校准至匹配观测时，模型可准确再现大、小麦哲伦云星团中观测到的C型恒星光度函数与星数。
• 等距线可准确模拟星系的红移系近红外光谱与分辨AGB恒星的明亮红外辐射，与DENIS、2MASS与SAGE巡天的观测结果一致。