[论文解读] Stellar evolution of low and intermediate-mass stars. IV. Hydrodynamically-based overshoot and nucleosynthesis in AGB stars

Falk Herwig, T. Bloêcker+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 26

一句话总结

本文基于二维辐射流体动力学模拟，提出了一种流体动力学启发的超射处理方法，以改进低质量与中等质量渐近巨星支（AGB）星的演化模型。通过在施瓦茨希尔德边界之外采用深度依赖的湍流速度，该模型使第7次热脉动时即发生早期的第三次上翻（λ = 0.6），并形成约3.9×10⁻⁷ M☉的¹³C口袋，导致中间壳层元素丰度比（⁴He/¹²C/¹⁶O）≈（23/50/25），显著改变了核合成过程，并解决了碳星之谜。

ABSTRACT

The focus of this study is on the treatment of those stellar regions immediately adjacent to convective zones. The results of hydrodynamical simulations by Freytag et al. (1996, A&A313,497) show that the motion of convective elements extends well beyond the boundary of the convectively unstable region. We have applied their parametrized description of the corresponding velocities to the treatment of overshoot in stellar evolution calculations up to the AGB (Pop.I, M_zams=3M_sun).

研究动机与目标

• 解决观测到的低光度碳星与标准AGB模型之间的矛盾——后者在低质量下无法产生上翻。
• 解决标准模型中¹³C生成不足、难以支持s过程核合成的挑战。
• 将基于流体动力学的超射引入恒星演化计算，以更准确地再现观测到的AGB星元素丰度。
• 检验是否可通过超越施瓦茨希尔德边界的额外混合机制，自然解释早期上翻与¹³C口袋的形成，而无需人为参数化。

提出的方法

• 采用Freytag等人（1996）的二维流体动力学模拟结果，对湍流速度进行参数化描述，以模拟超越施瓦茨希尔德边界的超射。
• 修改Blöcker（1993, 1995）的一维恒星演化代码，引入所有对流区中深度依赖的超射。
• 使用包含31种核素与74个反应的核合成网络，其中包括¹³C(α,n)¹⁶O与²²Ne(α,n)²⁵Mg反应。
• 采用Iglesias等人（1992）与Alexander & Ferguson（1994）的灰度表，实现精确的辐射传热计算。
• 通过扩散尾迹追踪对流包层的渗透程度、H与¹²C丰度剖面的重叠，以及¹³C口袋的形成过程。
• 将上翻参数λ定义为每次脉动周期内被上翻的质量与核心质量增量之比。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于流体动力学的超射能否解释低质量AGB星（≤3 M☉）中第三次上翻的早期发生？
• RQ2 超越施瓦茨希尔德边界的额外混合是否会导致s过程所必需的¹³C口袋形成？
• RQ3 与标准模型相比，应用基于流体动力学的超射后，中间壳层元素丰度（⁴He/¹²C/¹⁶O）如何变化？
• RQ4 深度依赖的超射对热脉动期间上翻的时机与效率有何影响？
• RQ5 是否仅通过热底燃烧或质量损失机制，即可解释观测到的低光度碳星？

主要发现

• 在3 M☉的AGB模型中，第三次上翻发生在第7次热脉动时，第12次脉动期间的上翻参数λ = 0.60。
• 总上翻质量达3.7×10⁻³ M☉，其中1.5×10⁻³ M☉的¹²C被输运至表面。
• 在H与¹²C丰度剖面交界处，由于对流包层与富碳层的扩散重叠，形成了3.9×10⁻⁷ M☉的¹³C口袋。
• 中间壳层元素丰度从标准模型的（70/26/1）转变为基于流体动力学模型的（23/50/25）。
• 对流包层穿透至⁴He富集层，触发部分对流，消除了清晰的成分边界。
• ¹³C口袋在下一次热脉动前通过辐射燃烧被消耗，与Straniero等人（1995）的结论一致，但如今是通过流体动力学混合自然形成的。