[论文解读] Mixing processes during the evolution of red giants with moderate metal deficiencies : the role of molecular-weight barriers

C. Charbonnel, Jeffery A. Brown+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文通过精确测量锂、碳和氮同位素的丰度以及12C/13C和12C/14N比值，研究了中等金属贫乏红巨星中的额外混合过程。研究发现，分子量梯度——特别是临界μ梯度——能够解释观测到的12C/13C从20降至7以及红巨星分支上锂的耗尽现象，强烈表明旋转驱动的经圈环流是导致额外混合的机制。

ABSTRACT

We have assembled accurate abundance data for Li, C, and N as well as the 12C/13C ratio for five field giants with [Fe/H]=-0.6 including Arcturus and two stars in the globular cluster 47 Tuc. Using their very precise Mbol values obtained from HIPPARCOSparallaxes, we can place them into an evolutionary sequence. The sequence shows that the 12C/13C ratios ratios drops from 20 to near 7 between Mbol=+1 and +0.5, while Li disappears. At the same time the 12C/14N ratio diminishes by 0.2 to 0.4 dex. The two stars in 47 Tuc with Mbol near -2.0 show even lower 12C14N ratios by 0.4 dex indicating further mixing as they evolved to the top of the red giant branch. These observations confirm the existence of an extra-mixing process that becomes efficient on the red giant branch only when the low-mass stars reach the so-called luminosity function bump. We use the values of the carbon isotopic ratio observed in our sample to get constraints on the mu-barriers that may shield the central regions of a star from extra-mixing. We show that the same value of the critical gradient of molecular weight leads to 12C/13C ratios observed at different metallicities. This ``observational critical mu-gradient'' is in very good agreement with the one which is expected to stabilize meridional circulation. This result provides strong clues on the nature of the extra-mixing which occurs on the RGB, and indicates that it is related to rotation.

研究动机与目标

• 理解中等金属贫乏的低质量红巨星中额外混合过程的起源。
• 确定分子量屏障是否能够解释红巨星中观测到的同位素丰度趋势。
• 约束稳定经圈环流并抑制混合的临界分子量梯度（μ梯度）。
• 将观测到的丰度模式与红巨星演化中旋转混合的理论模型联系起来。
• 检验相同的临界μ梯度是否适用于不同金属丰度，基于星场巨星和星团恒星的观测。

提出的方法

• 获取了五颗星场巨星（[Fe/H] = -0.6）中锂、碳和氮同位素的高精度丰度数据，以及12C/13C和12C/14N比值，其中包括大角（Arcturus）和47 Tuc中的恒星。
• 利用HIPPARCOS视差测量精确推导出绝对星等（Mbol），从而将恒星置于红巨星分支演化序列中。
• 追踪同位素比值随光度的变化，以识别额外混合的起始点和效率。
• 将观测到的12C/13C和12C/14N趋势与由分子量梯度稳定化的经圈环流理论模型进行比较。
• 从观测到的混合起始点计算出“观测临界μ梯度”，并与理论预期的稳定环流所需的值进行比较。
• 利用47 Tuc中Mbol ≈ -2.0的恒星探测光度函数峰处的更深层次混合，将约束扩展至更高光度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金属贫乏恒星中，红巨星分支上12C/13C从~20降至~7的现象是由什么引起的？
• RQ2 为何锂的耗尽与12C/13C比值的下降在这些恒星中同时发生？
• RQ3 分子量屏障是否能够解释光度函数峰处额外混合的起始？
• RQ4 基于观测，稳定经圈环流所需的临界分子量梯度是多少？
• RQ5 正如观测到的同位素趋势所暗示的那样，该临界μ梯度是否适用于不同金属丰度？

主要发现

• 在Mbol = +1到+0.5之间，12C/13C比值从~20降至~7，表明红巨星分支上存在显著的额外混合。
• 在Mbol ≈ +0.5的恒星中观测到锂的耗尽，与额外混合的起始及12C/13C的下降同时发生。
• 在Mbol = +1到+0.5之间，12C/14N比值下降了0.2至0.4 dex，证实了CNO循环物质的增强混合。
• 47 Tuc中Mbol ≈ -2.0的恒星显示12C/14N额外下降0.4 dex，表明在光度函数峰处发生了更深的混合。
• 观测到的抑制混合所需的“临界μ梯度”与理论计算中稳定经圈环流的值高度一致。
• 临界μ梯度在不同金属丰度下的一致性支持了旋转驱动的经圈环流是这些恒星中额外混合主要机制的解释。