[论文解读] Stellar mass and age determinations - I. Grids of stellar models from Z=0.006 to 0.04 and M=0.5 to 3.5 Msun

N. Mowlavï, P. Eggenberger+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 75

一句话总结

本文针对质量 0.5–3.5 M⊙ 与金属丰度 Z = 0.006 至 0.04（对应 [Fe/H] = −0.33 至 +0.54）的非旋转恒星演化模型，提供了密集且高精度的网格，结合先进的插值技术，可精确确定恒星质量与年龄，基于观测的赫罗图位置。主要贡献在于插值模型在半径与有效温度方面达到 1% 的精度，经由双星系统与疏散星团验证；同时引入新的表面金属丰度等值线（Z_surf），以考虑低质量恒星中因原子扩散效应带来的影响。

ABSTRACT

We present dense grids of stellar models suitable for comparison with observable quantities measured with great precision, such as those derived from binary systems or planet-hosting stars. We computed new Geneva models without rotation at metallicities Z=0.006, 0.01, 0.014, 0.02, 0.03 and 0.04 (i.e. [Fe/H] from -0.33 to +0.54) and with mass in small steps from 0.5 to 3.5 Msun. Great care was taken in the procedure for interpolating between tracks in order to compute isochrones. Several properties of our grids are presented as a function of stellar mass and metallicity. Those include surface properties in the Hertzsprung-Russell diagram, internal properties including mean stellar density, sizes of the convective cores, and global asteroseismic properties. We checked our interpolation procedure and compared interpolated tracks with computed tracks. The deviations are less than 1% in radius and effective temperatures for most of the cases considered. We also checked that the present isochrones provide nice fits to four couples of observed detached binaries and to the observed sequences of the open clusters NGC 3532 and M67. Including atomic diffusion in our models with M<1.1 Msun leads to variations in the surface abundances that should be taken into account when comparing with observational data of stars with measured metallicities. For that purpose, iso-Zsurf lines are computed. These can be requested for download from a dedicated web page together with tracks at masses and metallicities within the limits covered by the grids. The validity of the relations linking Z and FeH is also re-assessed in light of the surface abundance variations in low-mass stars.

研究动机与目标

• 为现代高精度观测提供密集且高精度的恒星演化模型，以实现基于观测的恒星质量与年龄的精确测定。
• 通过提升 0.5–3.5 M⊙ 范围内质量与金属丰度的插值精度，解决以往模型网格的局限性。
• 考虑低质量恒星（M < 1.1 M⊙）中的原子扩散效应，该效应会改变表面丰度并影响金属丰度指标。
• 通过稳健的插值程序构建可靠等龄线与插值轨迹，保持不同质量与金属丰度下的形态特征。
• 提供可下载的数据，包括演化轨迹、等龄线与等 Z_surf 线，便于直接用于与观测结果比较。

提出的方法

• 使用更新的输入物理参数计算非旋转的日内瓦恒星演化模型，包括 Asplund 等（2005）的太阳丰度与 M < 1.1 M⊙ 恒星的原子扩散效应。
• 在质量（0.5–3.5 M⊙，步长较小）与金属丰度（Z = 0.006, 0.01, 0.014, 0.02, 0.03, 0.04）上构建密集网格，以实现高精度插值。
• 开发专门的插值程序，在演化轨迹之间保持半径与有效温度的高精度，偏差小于 1%。
• 通过在质量-金属丰度网格上插值构建等龄线，并利用观测到的双星系统与疏散星团（NGC 3532，M67）进行验证。
• 计算表面金属丰度（Z_surf）的等值线，以考虑低质量恒星中因原子扩散导致的表面丰度变化。
• 利用星震学参数（ν_max, Δν, A_max）增强模型与观测数据的对比能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集的质量-金属丰度网格上，插值恒星模型对半径与有效温度的预测精度如何？
• RQ2 原子扩散效应对低质量恒星（M < 1.1 M⊙）的表面丰度影响有多大，这又如何影响金属丰度指标？
• RQ3 新插值方法能否生成与观测到的双星系统及疏散星团序列高度吻合的等龄线？
• RQ4 由于原子扩散引起的表面丰度变化，Z 与 [Fe/H] 之间的关系在低质量恒星中如何失效？
• RQ5 对流的数值处理方式对等龄线形态有何影响，特别是在 1.15–1.25 M⊙ 的过渡质量区间？

主要发现

• 插值程序在大多数插值模型中对半径与有效温度的偏差小于 1%，验证了其高精度。
• 基于网格构建的等龄线与观测到的双星系统及疏散星团 NGC 3532 与 M67 的序列具有极佳的拟合度。
• 在 M < 1.1 M⊙ 的恒星中，原子扩散导致可测量的表面丰度变化，因此必须使用等 Z_surf 线才能实现准确的金属丰度比较。
• 由于原子扩散引起的表面丰度变化，Z 与 [Fe/H] 的关系在低质量恒星中误差可达约 5%。
• 在太阳金属丰度下，1.15–1.25 M⊙ 的过渡质量区间，等龄线可能显示超过两个“钩状”结构，其形态对对流处理方式敏感。
• 模型网格及相关数据产品（包括演化轨迹、等龄线与等 Z_surf 线）可于 http://obswww.unige.ch/Recherche/evol/-Base-de-donnees-/ 免费下载。