[论文解读] Thermohaline instability and rotation-induced mixing. III - Grid of stellar models and asymptotic asteroseismic quantities from the pre-main sequence up to the AGB for low- and intermediate-mass stars at various metallicities

N. Lagarde, T. Decressin+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 83被引用 141

一句话总结

本研究展示了从主序前到渐近巨星支（AGB）的低质量和中等质量恒星演化模型的全面网格，涵盖四种金属丰度（Z = 0.0001 至 0.014），并引入了旋转引起的混合与热盐对流不稳定性。研究计算了全局星震学参数，如大频率间距（Δν）、ν_max、A_max 和渐近周期间距，结果表明旋转引起的混合显著改变了这些量，而热盐对流混合——尽管在光谱上可探测——却未影响此处研究的全局星震观测量。

ABSTRACT

The availability of asteroseismic constraints for a large sample of stars from the missions CoRoT and Kepler paves the way for various statistical studies of the seismic properties of stellar populations. In this paper, we evaluate the impact of rotation-induced mixing and thermohaline instability on the global asteroseismic parameters at different stages of the stellar evolution from the Zero Age Main Sequence to the Thermally Pulsating Asymptotic Giant Branch to distinguish stellar populations. We present a grid of stellar evolutionary models for four metallicities (Z = 0.0001, 0.002, 0.004, and 0.014) in the mass range between 0.85 to 6.0 Msun. The models are computed either with standard prescriptions or including both thermohaline convection and rotation-induced mixing. For the whole grid we provide the usual stellar parameters (luminosity, effective temperature, lifetimes, ...), together with the global seismic parameters, i.e. the large frequency separation and asymptotic relations, the frequency corresponding to the maximum oscillation power ν_{max}, the maximal amplitude A_{max}, the asymptotic period spacing of g-modes, and different acoustic radii. We discuss the signature of rotation-induced mixing on the global asteroseismic quantities, that can be detected observationally. Thermohaline mixing whose effects can be identified by spectroscopic studies cannot be caracterized with the global seismic parameters studied here. But it is not excluded that individual mode frequencies or other well chosen asteroseismic quantities might help constraining this mixing.

研究动机与目标

• 评估旋转引起的混合与热盐对流不稳定性对恒星演化过程中全局星震学参数的影响。
• 为不同金属丰度下的低质量和中等质量恒星提供从主序前到渐近巨星支的完整模型网格。
• 通过提供经典恒星参数与全局星震量，支持与CoRoT和Kepler观测结果的统计星震学比较。
• 区分非标准混合过程在星震数据中的可观测特征，特别是对于具有相似光度与温度但不同演化阶段的恒星。
• 评估全局星震学参数在探测热盐对流混合方面的局限性，尽管其已知对光谱特征有显著影响。

提出的方法

• 计算初始质量从0.85至6.0 M⊙、金属丰度Z = 0.0001、0.002、0.004和0.014的恒星演化模型网格。
• 同时包含标准物理过程与非标准过程：通过大尺度环流与剪切湍流实现的旋转引起的混合，以及热盐对流对流。
• 利用既定的标度关系计算全局星震学参数：Δν（大频率间距）、ν_max（功率最大处的频率）与A_max（最大振幅）。
• 计算渐近量：Δν_asympt（渐近大间距）、t_BCE（对流包层底部的声学半径）、t_He（HeII电离区的声学半径）、T（总声学半径）与ΔΠ（ℓ=1的周期间距）用于g模。
• 追踪这些参数从主序前、经由亚巨星与红巨星阶段，直至热脉动AGB阶段的演化过程。
• 对比包含与不包含非标准混合的模型，以分离旋转与热盐对流过程对可观测星震特征的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在赫罗图中，旋转引起的混合如何影响大频率间距（Δν）与最大功率频率（ν_max）？
• RQ2 尽管热盐对流混合已知显著影响表面丰度，它是否能通过全局星震学参数（如Δν、ν_max或A_max）被探测到？
• RQ3 Δν与A_max等星震学参数在多大程度上可区分具有相同有效温度与光度但处于不同演化阶段的恒星？
• RQ4 在热脉动AGB阶段，旋转与热盐对流混合如何影响渐近星震学量（如t_BCE、t_He、ΔΠ）的演化？
• RQ5 在不同金属丰度的恒星群体中，旋转与热盐对流混合对观测到的星震学性质分散的相对贡献如何？

主要发现

• 旋转引起的混合显著改变了Δν、ν_max与A_max等全局星震学参数，尤其在亚巨星与氦燃烧阶段。
• 尽管对表面丰度有强烈影响，热盐对流混合并未改变光度、有效温度或此处研究的全局星震学量。
• 具有相同有效温度与光度的恒星——例如处于HR间隙的1.5 M⊙恒星与主序前的2.0 M⊙恒星——可通过其不同的Δν与A_max值加以区分。
• 在相同演化阶段，大频率间距Δν随恒星质量增加而减小，且旋转引起的混合会增强这一差异。
• 最大振幅A_max对恒星质量与平均密度敏感，旋转模型在亚巨星阶段因结构变化而表现出更高的振幅。
• 渐近量如t_BCE、t_He与ΔΠ（ℓ=1）为内部结构提供了额外约束，受旋转影响，但不受热盐对流混合影响。