[论文解读] New Solar Models Including Helioseismological Constraints and Light-Element Depletion

O. Richard, S. Vauclair+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 1996

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 23

一句话总结

本文提出了改进的太阳模型，整合了太阳振荡学约束、元素分异以及旋转诱导混合，以调和观测到的锂和铍的耗尽与太阳内部结构之间的矛盾。最佳模型（5）在大部分半径上实现了u = P/ρ函数的子0.5%一致性，重现了观测到的Li/Be耗尽（155倍和2.9倍），并保持与太阳振荡学及中微子通量的一致性，表明标准物理结合增强混合即可解释数据，无需引入非标准假设。

ABSTRACT

We have computed new solar models using the same stellar evolution code as described in Charbonnel, Vauclair and Zahn (1992). This code, originating from Geneva, now includes the computation of element segregation for helium and 12 heavier isotopes. It may also include any type of mixing of the stellar gas, provided this mixing may be parametrized with an effective diffusion coefficient as a function of radius. Here we introduced rotation-induced mixing as prescribed by Zahn (1992). We present five solar models: the standard model; two models including pure element segregation; two models with both element segregation and rotation-induced mixing. The $u = {P \over ρ}$ function computed as a function of radius in these new solar models are compared to the helioseismological results obtained for the same function by Dziembowski et al (1994). Improving the physics of the models leads to a better consistency with helioseismology. In our best model, which includes both segregation and mixing, the relative difference in the $ u $ function between the model and the helioseismological results is smaller than 0.5 per cent at all radii except at the center and the surface. Meanwhile lithium is depleted by a factor 155 and beryllium by a factor 2.9, which is consistent with the observations. The bottom of the convective zone lies at a fractional radius of 0.716, consistent with helioseismology. The neutrino fluxes are not decreased in any of these models. The models including the computations of element segregation lead to a present surface helium abundance of: $ Y_{surf} $ between 0.248 and 0.258, which is in satisfactory agreement with the value derived from helioseismology.

研究动机与目标

• 开发包含内部结构函数u = P/ρ太阳振荡学约束的改进太阳模型。
• 研究元素分异和旋转诱导混合是否能同时解释观测到的轻元素耗尽和太阳振荡学数据。
• 确定标准恒星物理（包括扩散和参数化混合）是否能在不引入非标准假设的前提下重现观测到的表面丰度。
• 在考虑元素分异和混合的前提下，评估模型预测的中微子通量与观测结果的一致性。
• 在太阳振荡学背景下，评估太阳对流层边界和表面氦丰度预测的可靠性。

提出的方法

• 使用源自日内瓦的恒星演化代码，扩展以计算氦及12种更重同位素的元素分异。
• 通过Zahn（1992）的方案引入旋转诱导混合，以半径函数表示的有效扩散系数为参数。
• 计算了五个模型：标准模型、纯分异模型、迭代分异模型、分异+混合模型（初始丰度来自Grevesse 1991年）以及迭代混合模型。
• 标定混合效率（C_h因子）以匹配观测到的锂和铍耗尽因子。
• 将模型预测的u = P/ρ分布与Dziembowski等人（1994年）的太阳振荡学反演结果进行比较，重点关注径向一致性。
• 确保模型的光度和半径与观测值一致（L = 3.851×10^34 erg/s，R = 6.959×10^10 cm），并通过迭代调整最终丰度以匹配Grevesse（1991年）的值。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含元素分异和旋转诱导混合的太阳模型，能否同时满足u = P/ρ函数的太阳振荡学约束和观测到的轻元素丰度？
• RQ2 引入旋转诱导混合是否能改善与太阳振荡学的一致性，还是会导致对流层边界和表面氦丰度拟合变差？
• RQ3 在不引入非标准混合或扩散的前提下，观测到的锂和铍耗尽（Li/Li₀ = 1/155，Be/Be₀ = 1/2.9）在多大程度上能由标准物理解释？
• RQ4 观测到的对流层底部位置（r_cz/R⊙ = 0.713 ± 0.003）是否与同时包含元素分异和旋转诱导混合的模型一致？
• RQ5 在半径小于0.4 R⊙处u函数的差异，是否可归因于不透明度或状态方程的不确定性，而非混合物理的缺陷？

主要发现

• 模型5（包含元素分异和校准后的旋转诱导混合）在太阳内部大部分区域的u = P/ρ函数相对差异小于0.5%，仅在中心和表面附近略有偏差。
• 在模型5中，锂丰度耗尽了155.03倍，铍丰度耗尽了2.91倍，与观测到的耗尽因子（Li/Li₀ = 1/140，Be/Be₀ = 1/2）高度一致。
• 模型5中对流层底部位于r_cz/R⊙ = 0.716，与太阳振荡学测量值（0.713 ± 0.003）一致。
• 模型5的表面氦丰度（Y_surf = 0.2584）落在太阳振荡学预测的范围（0.248–0.258）内，且与观测约束一致。
• 所有模型的中微子通量保持不变且偏高，表明引入分异或混合并未降低观测到的中微子通量。
• 尽管引入了混合，模型5仍比无迭代的模型4更接近太阳振荡学数据，表明改进的物理机制可带来与观测更佳的一致性。