[论文解读] The third dredge-up and the carbon star luminosity functions in the Magellanic Clouds

Paola Marigo, L. Girardi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对热脉动渐近巨星支（TP-AGB）星中第三种混杂过程的修正模型，采用在对流包层底部的温度判据（T_b^dred）来预测碳星的形成。该模型成功再现了大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）中碳星的光度函数（CSLF），其金属丰度分别为Z=0.008和Z=0.004，表明光度函数的暗端由T_b^dred决定，而峰值位置则由效率参数λ控制，最佳拟合参数为λ=0.50和log(T_b^dred)=6.4。

ABSTRACT

We investigate the formation of carbon stars as a function of the stellar mass and parent metallicity. Theoretical modelling is based on an improved scheme for treating the third dredge-up in synthetic calculations of thermally pulsing asymptotic giant branch (TP-AGB) stars. In this approach, the usual criterion (based on a constant minimum core mass for the occurrence of dredge-up, M_c^min) is replaced by one on the minimum temperature at the base of the convective envelope, T_b^dred, at the stage of the post-flash luminosity maximum. Envelope integrations then allow determination of M_c^min as a function of stellar mass, metallicity, and pulse strength (see Wood 1981), thus inferring if and when dredge-up first occurs. Moreover, the final possible shut down of the process is predicted. Extensive grids of TP-AGB models were computed using this scheme. We present and discuss the calibration of the two dredge-up parameters (lambda and T_b^dred) aimed at reproducing the carbon star luminosity function (CSLF) in the LMC. It turns out that the faint tail is almost insensitive to the history of star formation rate (SFR) in the parent galaxy (it is essentially determined by T_b^dred), in contrast to the bright wing which may be more affected by the details of the recent SFR. Once the faint end is reproduced, the peak location is a stringent calibrator of lambda. The best fit to the observed CSLF in the LMC is obtained with Z=0.008, lambda=0.50, log(T_b^dred)=6.4, and a constant SFR up to 5x10^8 yr ago. A good fit to the CSLF in the SMC is then easily derived from the Z=0.004 models, with a single choice of parameters, and a constant SFR over the entire significant age interval. The results are consistent with the theoretical expectation that the third dredge-up is more efficient at lower Zs.

研究动机与目标

• 通过用对流包层底部的温度阈值替代固定的核心质量判据，改进TP-AGB星中第三种混杂过程的理论建模。
• 基于大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）中观测到的碳星光度函数（CSLF），校准混杂过程参数（λ和T_b^dred）。
• 研究恒星质量、金属丰度和恒星形成历史对碳星形成及其光度分布的影响。
• 确定CSLF的暗端和亮翼对混杂效率和恒星形成率（SFR）历史的敏感性。

提出的方法

• 用在脉冲后最大光度阶段对流包层底部的最小温度阈值T_b^dred，替代传统第三种混杂过程的M_c^min判据。
• 通过包层积分计算M_c^min随恒星质量、金属丰度和脉冲强度的变化，从而预测混杂过程何时发生及是否发生。
• 利用不同λ（混杂效率）和T_b^dred的TP-AGB模型网格，以匹配LMC和SMC中观测到的CSLF。
• 通过比较合成的CSLF与观测数据，调整λ和T_b^dred以重现光度函数的暗端和峰值。
• 通过测试不同 timescales（最长至5×10^8年前）的恒定SFR，评估恒星形成历史的影响，适用于LMC；对SMC则使用整个显著年龄区间。
• 通过将模型预测与两星系中的观测CSLF进行对比，验证模型的有效性，其中LMC的Z=0.008，SMC的Z=0.004。

实验结果

研究问题

• RQ1 用基于温度的阈值（T_b^dred）替代固定的核质量判据，如何改善对TP-AGB星中第三种混杂过程发生概率的预测？
• RQ2 λ和T_b^dred的哪些取值能最好地重现大麦哲伦云中观测到的碳星光度函数？
• RQ3 CSLF的暗端对恒星形成历史有多敏感？其主导物理参数是什么？
• RQ4 CSLF的亮翼在多大程度上依赖于近期的恒星形成活动和混杂效率？
• RQ5 是否可以使用同一组混杂过程参数，同时准确再现LMC和SMC中不同金属丰度下的CSLF？

主要发现

• LMC中碳星光度函数（CSLF）的暗端对恒星形成率（SFR）历史不敏感，主要由温度阈值T_b^dred控制。
• CSLF峰值位置对混杂效率参数λ具有严格的标定作用，最佳拟合值为λ=0.50。
• LMC的最佳拟合模型采用Z=0.008、λ=0.50、log(T_b^dred)=6.4，并假设过去5×10^8年内恒定SFR。
• 通过Z=0.004、相同的λ和T_b^dred值，以及在整个显著年龄区间内恒定SFR，可实现对SMC CSLF的良好拟合。
• 该模型证实了理论预期：在较低金属丰度下，第三种混杂过程更有效，这在Z=0.004时与观测结果的更好一致性中得到体现。
• 结果表明，基于温度的判据（T_b^dred）为碳星形成建模提供了物理解释一致且具有预测能力的框架。