[论文解读] Stellar evolution with rotation VIII: Models at Z = 10^{-5} and CNO yields for early galactic evolution

G. Meynet, A. Maeder|ArXiv.org|May 22, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 44被引用 244

一句话总结

本文在 Z = 10⁻⁵ 条件下，提供了包含旋转效应的恒星演化模型网格，以研究早期星系环境中的 CNO 核合成与核素产出。结果表明，在极低金属度下，中等质量与大质量恒星的旋转混合可产生显著的原生 ¹⁴N，从而解释金属贫乏恒星中观测到的 N/O 平台；旋转是 N/O 比值的主要决定因素，而质量范围则决定了早期星系化学演化中的 C/O 比值。

ABSTRACT

We calculate a grid of star models with and without the effects of axial rotation for stars in the mass range between 2 and 60 M$_{\odot}$ for the metallicity $Z = 10^{-5}$. Star models with initial masses superior or equal to 9 M$_\odot$ were computed up to the end of the carbon--burning phase. Star models with masses between 2 and 7 M$_\odot$ were evolved beyond the end of the He--burning phase through a few thermal pulses during the AGB phase. Compared to models at $Z=0.02$, the low $Z$ models show faster rotating cores and stronger internal $Ω$--gradients, which favour an important mixing of the chemical elements. In very low $Z$ models, primary nitrogen is produced during the He--burning phase by rotational diffusion of $^{12}$C into the H--burning shell. The intermediate mass stars of very low $Z$ are the main producers of primary $^{14}$N, but massive stars also contribute to this production; no significant primary nitrogen is made in models at metallicity $Z$=0.004 or above. We calculate the chemical yields in He, C, N, O and heavy elements and discuss the chemical evolution of the CNO elements at very low Z. Remarkably, the C/O vs O/H diagram is mainly sensitive to the interval of stellar masses, while the N/O vs O/H diagram is mainly sensitive to the average rotation of the stars contributing to the element synthesis. The presently available observations in these diagrams seem to favour contributions either from stars down to about 2 M$_{\odot}$ with normal rotation velocities or from stars above 8 M$_{\odot}$ but with very fast rotation.

研究动机与目标

• 理解在极低金属度（Z = 10⁻⁵）下旋转在化学产出中的作用，该条件与早期星系演化相关。
• 解决金属贫乏恒星中初级氮生成的谜题，标准模型无法解释观测到的 N/O 比值。
• 计算从 2 至 60 M⊙ 的旋转恒星在 CNO 及重元素产出方面的详细数据，涵盖碳燃烧与渐近巨星分支（AGB）阶段的演化。
• 评估旋转与初始质量函数如何塑造早期星系中 C/O 与 O/H 及 N/O 与 O/H 的关系图。
• 为解释金属贫乏晕星与低金属度星系的观测结果提供理论基础。

提出的方法

• 在 Z = 10⁻⁵ 条件下，对 2 至 60 M⊙ 的恒星演化模型进行了计算，涵盖非旋转与旋转模型（初始 v_rot = 300 km/s，部分模型为 400 km/s）。
• 通过经圈对流与剪切扩散模拟旋转引起的混合，分析其对化学元素输运与内部角动量梯度的影响。
• 核反应速率基于 NACRE 编纂数据，且包含低温下的分子辐射俘获贡献。
• 演化过程追踪至核心氢燃烧与氦燃烧阶段，对 ≥9 M⊙ 的恒星还包含碳燃烧阶段，以及 2–7 M⊙ 恒星在 AGB 阶段的热脉动。
• 计算并分析了 He、C、N、O 及重元素的化学产出，结合星系化学演化背景进行讨论。
• 将理论 C/O 与 N/O 比值与金属贫乏恒星及星系的观测数据进行对比，以约束恒星群体特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转混合如何影响极低金属度恒星（Z = 10⁻⁵）的 CNO 表面丰度与产出？
• RQ2 旋转效应能否解释低金属度下观测到的 N/O 比值平台，特别是原生 ¹⁴N 的存在？
• RQ3 中等质量恒星（2–8 M⊙）与大质量恒星（≥8 M⊙）在早期星系氮元素富集中的相对贡献如何？
• RQ4 在 C/O 与 O/H 及 N/O 与 O/H 的关系图中，C/O 与 N/O 比值如何依赖于初始质量函数与恒星旋转？
• RQ5 恒星风质量损失与旋转在低金属度环境中对 C、N、O 最终产出的影响程度如何？

主要发现

• 在极低金属度模型中，旋转混合使表面氮含量增强 2 至 3 个数量级，尤其在初始旋转速度 ≥300 km/s 的恒星中更为显著。
• 原生 ¹⁴N 在氦燃烧阶段通过旋转扩散将 ¹²C 输运至氢燃烧壳层而高效生成，且大量 ¹⁴N 可存活至 AGB 阶段。
• 在 Z = 10⁻⁵ 条件下，中等质量恒星（2–8 M⊙）是原生 ¹⁴N 的主要生产者，尽管大质量恒星（≥8 M⊙）也作出了显著贡献。
• N/O 与 O/H 的关系图对平均恒星旋转极为敏感，旋转模型使 N/O 比值最高提升约两个数量级，而 C/O 比值主要由初始质量函数决定。
• 观测到的 N/O 平台（log(N/O) ≈ -1.7）最符合包含中等质量恒星（2–8 M⊙）且平均旋转速度 ≥230 km/s 的模型，而非非旋转或仅大质量恒星模型。
• C/O 与 O/H 的关系图对旋转不敏感，但强烈依赖于贡献恒星的质量范围，较低的质量下限导致更高的 C/O 比值。