[论文解读] Rotational mixing in low-mass stars : I Effect of the mu-gradients in main sequence and subgiant Pop I stars

A. Palacios, S. Talon+2 more|ArXiv.org|Oct 23, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用 102

一句话总结

本研究提出了一种对旋转的低质量第一星族恒星的全面模型，整合了经向环流、剪切湍流和重力沉降，并对平均分子量（μ）梯度进行了完整处理。结果表明，由水平μ变化驱动的μ-流显著塑造了内部旋转分布，主导了化学输运过程，防止了在均匀模型中预测的‘缓慢瘫痪’现象，从而解决了亚巨星中锂元素异常缺失的关键问题。

ABSTRACT

We present a first set of results concerning stellar evolution of rotating low-mass stars. Our models include fully consistent transport of angular momentum and chemicals due to the combined action of rotation induced mixing (according to Maeder & Zahn 1998) and element segregation. The analysis of the effects of local variations of molecular weight due to the meridional circulation on the transport of angular momentum and chemicals are under the scope of this study. We apply this mechanism to low mass main sequence and subgiant stars of population I. We show that the so-called $μ$-currents are of major importance in setting the shape of the rotation profile, specially near the core. Furthermore, as shown by Talon & Charbonnel (1998) and Charbonnel & Talon (1999) using models without $μ$-currents, we confirm that rotation-induced mixing in stars braked via magnetic torquing can explain the blue side of the Li dip, as well as the low Li abundances observed in subgiants even when $μ$-currents are taken into account. We emphasize that $μ$ variations are not to be neglected when treating rotation-induced mixing, and that they could be of great importance for latter evolutionary stages.

研究动机与目标

• 研究平均分子量（μ）梯度对低质量主序星和亚巨星中旋转混合的影响。
• 评估由化学成分不均区域中的经向环流产生的μ-流如何影响角动量和化学输运。
• 确定包含μ-梯度的旋转诱导混合是否能够解释亚巨星中锂元素异常缺失及低表面锂丰度现象。
• 检验先前忽略μ-梯度对环流反馈影响的模型的有效性，特别是在磁制动和差速旋转背景下的适用性。
• 明确在包含μ-变化的情况下，均匀模型中预测的经向环流‘缓慢瘫痪’现象是否仍然发生。

提出的方法

• 本研究采用恒星演化模型，基于Maeder & Zahn（1998）形式化方法，通过经向环流、剪切湍流和重力沉降，完全耦合角动量与化学输运。
• 显式计算平均分子量（μ）的水平变化，并通过μ-流反馈其对环流的影响，μ-流通过改变有效扩散和旋转分布来实现。
• 模型中引入磁制动以模拟角动量损失，从而允许差速旋转，避免了早期研究中假设的刚体旋转。
• 化学输运通过有效扩散系数计算，由于μ-梯度效应，在成分不均的恒星中湍流扩散占主导地位。
• 模型应用于低质量（M ≲ 2.2 M⊙）第一星族恒星，位于锂元素异常缺失区域的热侧，与如毕宿星团等开放星团的观测结果一致。
• 将结果与场星和星团中亚巨星的观测锂丰度进行比较，以检验模型预测的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由经向环流产生的μ-梯度如何影响低质量旋转恒星的内部旋转分布？
• RQ2 与均匀模型相比，μ-流在辐射区中在多大程度上改变了旋转混合的效率？
• RQ3 包含μ-梯度反馈的模型能否再现位于锂元素异常缺失热侧的亚巨星中观测到的锂元素耗尽？
• RQ4 在包含μ-变化的情况下，是否能防止早期均匀模型中预测的经向环流‘缓慢瘫痪’现象？
• RQ5 当引入μ-梯度时，化学输运的主导机制如何变化——具体而言，湍流扩散是否超过有效扩散？

主要发现

• 由水平分子量梯度驱动的μ-流在塑造内部旋转分布方面起着关键作用，尤其是在核心附近，导致更强的差速旋转。
• μ-梯度的存在可防止经向环流的‘缓慢瘫痪’现象，该现象曾被预测于均匀模型中，因为在此类条件下，镜像项（Λ 和 Θ）在差速旋转下不再相互抵消。
• 在成分不均的恒星中，湍流扩散系数主导化学输运；而在均匀恒星中，有效扩散系数是主要贡献者。
• 包含μ-梯度反馈的旋转模型比经典模型更准确地再现了演化恒星中观测到的锂元素耗尽，表面锂耗尽发生在更高的有效温度（Teff > 5850 K）。
• 模型成功解释了亚巨星中低锂丰度现象，以及质量大于1.4 M⊙的恒星在锂演化路径上的分散现象，即使在包含磁制动的情况下亦成立。
• 本研究证实，在旋转恒星模型中必须考虑μ-变化，因为其显著改变混合效率，且可能对后主序演化至关重要。