[论文解读] On the formation of hydrogen-deficient post-AGB stars

Falk Herwig, T. Bloêcker+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 14

一句话总结

本文提出了一种物理解析的恒星演化模型，表明极晚期的热脉动可解释像PG 1159和[WC]-CSPNe这样的后-AGB恒星中氢缺乏的表面成分。通过同时求解核燃烧与时间依赖的对流混合，该模型重现了观测到的[He/C/O]表面丰度[0.38/0.36/0.22]，证实了“重生”情景，并支持了在AGB恒星中对流过冲的作用。

ABSTRACT

We present an evolutionary sequence of a low mass star from the Asymptotic Giant Branch (AGB) through its post-AGB stage, during which its surface chemical composition changes from hydrogen-rich to strongly hydrogen-deficient as consequence of a very late thermal pulse, following the so-called born-again scenario. The internal structure and abundance changes during this pulse are computed with a numerical method which allows the physically consistent calculation of stellar layers where thermonuclear and mixing time scale are comparable - a situation which occurs when the helium flash driven convection zone extends to the hydrogen-rich surface layers during the pulse peak. The final surface mass fractions are [He/C/O]=[0.38/0.36/0.22], where the high oxygen abundance is due to diffusive overshoot employed during the AGB evolution. These models are the first to achieve general agreement with the surface abundance pattern observed in hydrogen-deficient post-AGB stars - e.g. the PG 1159 stars or the WR-type central stars of planetary nebulae -, confirming the born-again scenario with a physically consistent calculation and supporting the occurrence of convective overshooting in thermally pulsing AGB stars.

研究动机与目标

• 通过建模一个极晚期的热脉动，将富含碳-氧的物质混合至表面，以解决氢缺乏后-AGB恒星长期存在的问题。
• 解决先前模型在重现PG 1159和[WC]-CSPNe中观测到的高氧丰度方面的失败。
• 通过一种物理解析的数值方法，同时处理核燃烧与混合过程，检验‘重生’情景的物理一致性。
• 研究AGB演化期间的对流过冲是否能解释间层区域中高碳和高氧丰度的成因。
• 确定氢缺乏后-AGB恒星的观测表面成分是否可通过单一、物理解析的演化序列重现。

提出的方法

• 本研究采用一种新型数值方案，将核素时间演化与对流混合在单个隐式步骤中求解，避免了顺序近似。
• 该方法使用一组非线性偏微分方程，建模由核反应和扩散混合引起的丰度变化，其表达式为：$\left(\frac{\mathrm{d}\@vec{X}_{j}}{\mathrm{d}t}\right)=\frac{\partial}{\partial m}\left[(4\pi r^{2}\rho)^{2}D\frac{\partial\@vec{X}_{j}}{\partial m}\right]+\hat{F}_{j}\cdot\@vec{X}_{j}$。
• 通过带状对角矩阵结构上的牛顿-拉夫森迭代求解该系统，确保在约3次迭代内收敛。
• 初始AGB模型通过引入对流过冲（f=0.016）演化，导致间层区域碳和氧丰度增强。
• 在恒星离开AGB后触发极晚期热脉动，引发氦闪，使对流区延伸至富含氢的包层。
• 模型追踪对流区、氢燃烧与混合的演化，直至表面成分稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 极晚期热脉动能否重现像PG 1159和[WC]-CSPNe这样的氢缺乏后-AGB恒星的观测表面丰度？
• RQ2 同时处理核燃烧与时间依赖的混合是否能实现‘重生’情景的物理解析模型？
• RQ3 氢缺乏后-AGB恒星中的高氧丰度是否能通过包含对流过冲的AGB演化来解释？
• RQ4 对流过冲在塑造间层成分及促成氢缺乏表面层形成中起什么作用？
• RQ5 极晚期热脉动期间的氢燃烧阶段持续多久，最终的表面成分是什么？

主要发现

• 该模型成功重现了氢缺乏后-AGB恒星中观测到的表面丰度分布[He/C/O] = [0.38/0.36/0.22]，与PG 1159和[WC]-CSPNe的观测结果一致。
• 峰值氢燃烧光度达到$10^8\,{\rm L}_{\odot}$，持续时间不足一周，仅消耗了$5 \cdot 10^{-5}\,{\rm M}_{\odot}$的氢。
• 在峰值时，表面氢质量分数降至$3.4 \cdot 10^{-4}$，剩余总氢质量为$7.8 \cdot 10^{-6}\,{\rm M}_{\odot}$，证实了强烈的氢缺乏。
• 最终表面丰度与AGB模型的间层成分非常接近，表明‘重生’事件暴露了此前隐藏的化学特征。
• 在$m_{\mathrm{r}} = 0.595\,{\rm M}_{\odot}$处的对流区分裂标志着氦燃烧区与氢燃烧区的过渡，$^4$He、$^{12}$C与$^{16}$O的丰度出现明显不连续。
• 脉动之后，恒星返回AGB区域，主要由氦燃烧能量驱动，氦闪对流区在约一年内恢复至原始范围。