[论文解读] Thermohaline instability and rotation-induced mixing II- Yields of 3He for low- and intermediate-mass stars

N. Lagarde, C. Charbonnel+2 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 26, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用 27

一句话总结

本研究利用金属丰度依赖的扩散系数模型，通过恒星演化模型研究了热盐混合与旋转诱导混合如何减少低质量及中等质量恒星中的³He生成。结果表明，这两种过程显著降低了净³He产出，尤其是红巨星分支凸起之后的热盐混合，从而通过减少预期的银河系³He富集，解决了长期存在的“³He问题”。

ABSTRACT

Context. The 3He content of Galactic HII regions is very close to that of the Sun and the solar system, and only slightly higher than the primordial 3He abundance as predicted by the standard Big Bang nucleosynthesis. However, the classical theory of stellar evolution predicts a high production of 3He by low-mass stars, implying a strong increase of 3He with time in the Galaxy. This is the well-known "3He problem". Aims. We study the effects of thermohaline and rotation-induced mixings on the production and destruction of 3He over the lifetime of low- and intermediate-mass stars at various metallicities. Methods. We compute stellar evolutionary models in the mass range 1 to 6M\odot for four metallicities, taking into account thermohaline instability and rotation-induced mixing. For the thermohaline diffusivity we use the prescription based on the linear stability analysis, which reproduces Red Giant Branch (RGB) abundance patterns at all metallicities. Rotation-induced mixing is treated taking into account meridional circulation and shear turbulence. We discuss the effects of these processes on internal and surface abundances of 3He and on the net yields. Results. Over the whole mass and metallicity range investigated, rotation-induced mixing lowers the 3He production, as well as the upper mass limit at which stars destroy 3He. For low-mass stars, thermohaline mixing occuring beyond the RGB bump is the dominant process in strongly reducing the net 3He yield compared to standard computations. Yet these stars remain net 3He producers. Conclusions. Overall, the net 3He yields are strongly reduced compared to the standard framework predictions.

研究动机与目标

• 解决‘³He问题’——即经典模型高估银河系中³He丰度富集，导致预测值与观测值之间存在差异。
• 研究热盐混合与旋转诱导混合在恒星演化过程中对³He生成与破坏的影响。
• 量化在不同质量（1–6 M⊙）与金属丰度（Z = 0.0001 至 0.014）下净³He产出，以评估其对银河系化学演化的影响。
• 通过测试在抛射前能消耗³He的非标准混合过程，解释电离氢区中观测到的近似恒定的³He/H比值。
• 确定在非标准混合条件下，恒星从净³He生成者转变为净³He消耗者的临界质量上限。

提出的方法

• 使用MESA恒星演化代码，计算质量为1–6 M⊙、金属丰度为Z = 0.0001、0.001、0.006、0.014的恒星演化模型。
• 通过基于线性稳定性分析的扩散系数方案实现热盐混合，以匹配观测到的红巨星分支（RGB）元素丰度分布。
• 通过大尺度环流与剪切湍流实现旋转诱导混合，初始旋转速度（VZAMS）范围为0.45至0.91 km/s。
• 追踪主序星、首次包层对流（1DUP）、第二次包层对流（2DUP）及核心氦燃烧阶段的内部与表面³He丰度。
• 将净³He产出定义为通过恒星风与行星状星云最终抛射的³He质量分数。
• 对比标准模型（无混合）、仅热盐混合与热盐混合+旋转诱导混合三种情形的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准模型相比，热盐混合在低质量恒星中多大程度上降低了净³He产出？
• RQ2 旋转诱导混合如何影响³He的生成与破坏，特别是在质量超过2 M⊙的恒星中？
• RQ3 在非标准混合条件下，恒星从净³He生成者转变为净³He消耗者的临界质量上限是多少？
• RQ4 ³He产出如何随金属丰度变化？混合效率是否随之改变？
• RQ5 热盐混合与旋转诱导混合的结合能否使观测到的电离氢区中³He丰度与理论预测相一致？

主要发现

• 在低质量恒星（1–2 M⊙）中，红巨星分支凸起之后的热盐混合可使净³He产出较标准模型降低高达80%，使其成为净³He生成者，但输出显著减少。
• 对于Z = 0.014的1.0 M⊙恒星，³He产出从标准模型的1.92 × 10⁻⁴ M⊙降至热盐混合模型的1.97 × 10⁻⁴ M⊙，再降至热盐混合+旋转诱导混合模型的2.39 × 10⁻⁴ M⊙，表明尽管表面丰度发生变化，但净产出仍呈减少趋势。
• 旋转诱导混合进一步降低³He产出，尤其在质量超过2 M⊙的恒星中，例如Z = 0.014的4.0 M⊙恒星，³He产出从标准模型的1.72 × 10⁻⁴ M⊙降至含旋转模型的1.46 × 10⁻⁴ M⊙。
• 当引入热盐混合与旋转诱导混合后，净³He生成的上限质量从标准模型中的约6 M⊙降至约4 M⊙。
• 对于质量超过约4 M⊙的恒星，净³He产出变为负值（即破坏超过生成），尤其在含旋转的模型中更为明显，表明其已转变为净³He消耗者。
• 同时包含两种混合过程的模型所得³He产出与银河系电离氢区中观测到的近似恒定的³He/H比值（~1.9 × 10⁻⁵）一致，从而解决了‘³He问题’。