[论文解读] Mixing and nucleosynthesis in rotating TP-AGB stars

N. Langer, Alexander Heger+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 10

一句话总结

本论文首次提出了旋转的中等质量恒星在热脉动渐近巨星支（TP-AGB）阶段的演化模型，引入了旋转引起的混合过程。研究结果表明，旋转引起的角动量输运以及在化学界面边界的混合——尤其是在第三次上翻过程中——能够形成富含13C的层，该层通过13C(α,n)反应为s-过程提供燃料，从而解释了白矮星中观测到的s-过程核合成现象，其自转速度最高可达50 km/s。

ABSTRACT

We present the first evolutionary models of intermediate mass stars up to their thermal pulses which include effects of rotation on the stellar structure as well as rotationally induced mixing of chemical species and angular momentum. We find a significant angular momentum transport from the core to the hydrogen-rich envelope and obtain a white dwarf rotation rate comparable to current observational upper limits of 50 km/s. Large angular momentum gradients at the bottom of the convective envelope and the tip of the pulse driven convective shell are shown to produce marked chemical mixing between the proton-rich and the 12C-rich layers during the so called third dredge-up. This leads to a subsequent production of 13C which is followed by neutron production through 13C(alpha,n) in radiative layers in between thermal pulses. Although uncertainties in the efficiency of rotational mixing processes persist, we conclude that rotation is capable of producing a 13C-rich layer as required for the occurrence of the s-process in TP-AGB stars.

研究动机与目标

• 研究旋转在中等质量恒星TP-AGB阶段混合与核合成中的作用。
• 确定旋转是否能够产生s-过程所需的富含13C的层。
• 模拟从核心到氢丰富包层的角动量输运及其对恒星自转分布的影响。
• 评估旋转混合在形成化学梯度方面的效率，这些梯度可促进中子的产生。

提出的方法

• 使用恒星结构与演化代码，对中等质量恒星（最高达8 M☉）在TP-AGB阶段进行数值演化。
• 在恒星内部引入旋转诱导的混合过程，包括经圈对流和剪切混合。
• 通过旋转不稳定性，模拟从核心到氢丰富包层的角动量输运。
• 模拟在第三次上翻期间，对流包层与富含12C的辐射层之间界面的化学混合。
• 在热脉动之间的辐射层中，通过13C(α,n)反应计算中子源的产生。
• 将预测的白矮星自转速度与观测上限约50 km/s进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转是否能够产生足够的混合，以在TP-AGB恒星中形成富含13C的层？
• RQ2 旋转引起的角动量输运如何影响TP-AGB恒星的自转分布？
• RQ3 在对流包层底部和脉动驱动对流壳顶端的化学混合在促成s-过程中起到何种作用？
• RQ4 旋转在多大程度上能够解释观测到的白矮星自转速度？
• RQ5 旋转混合过程在多大程度上影响了热脉动间隙期间通过13C(α,n)反应产生中子的效率？

主要发现

• 旋转导致核心向氢丰富包层显著输运角动量，使白矮星的自转速度达到与观测上限50 km/s相当的水平。
• 在对流包层底部和脉动驱动对流壳顶端处，强烈的角动量梯度驱动了富含质子的层与富含12C的层之间的强化学混合，尤其是在第三次上翻期间。
• 这种混合导致在对流包层下方的辐射区形成富含13C的层，这正是s-过程所必需的。
• 该层中的13C(α,n)反应在热脉动间隙期间产生中子，从而实现s-过程核合成。
• 尽管混合效率存在不确定性，但研究证明旋转能够产生TP-AGB恒星中s-过程所需的必要条件。
• 该模型提供了一个物理解释，将旋转、混合与中等质量恒星中s-过程核合成联系起来。