[论文解读] TP-AGB stars with envelope burning

P. Marigo, A. Bressan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文利用结合完整TP-AGB模型与简化包层结构的半解析模型，研究了质量为4–5 M⊙的中等质量热脉动渐近巨星支（TP-AGB）恒星在包层燃烧过程中的演化。研究发现，此类恒星可达到高光度（Mbol ≈ -6 至 -7），但未超过钱德拉塞卡光度极限；不会形成比Mbol ≈ -6.5更亮的碳星；并为星族合成模型提供了新的CNO元素主次生成物产量。

ABSTRACT

In this paper we focus on the TP-AGB evolution of intermediate-mass stars experiencing envelope burning (M=4-5Mo). The approach we have adopted is a semi-analytical one as it combines analytical relationships derived from complete models of TP-AGB stars with sole envelope models in which the physical structure is calculated from the photosphere down to the core. Our efforts are directed to analyse the effects produced by envelope burning, such as: i) the energy contribution which may drive significant deviations from the standard core mass-luminosity relationship; and ii) the changes in the surface chemical composition due to nuclear burning via the CNO cycle. Evolutionary models for stars with initial mass of 4.0, 4.5, 5.0 Mo and two choices of the initial chemical composition ([Y=0.28,Z=0.02] and [Y=0.25,Z=0.008]) are calculated from the first thermal pulse till the complete ejection of the envelope. We find that massive TP-AGB stars can rapidly reach high luminosities (-6>Mbol>-7), without exceeding, however, the classical limit to the AGB luminosity of Mbol~-7.1 corresponding to the Chandrasekhar value of the core mass. No carbon stars brighter than Mbol~-6.5 are predicted to form (the alternative of a possible transition from M-star to C-star during the final pulses is also explored), in agreement with observations which indicate that most of the very luminous AGB stars are oxygen-rich. Finally, new chemical yields from stars in the mass range 4-5 Mo are presented, so as to extend the sets of stellar yields from low-mass stars already calculated by Marigo et al. (1996). For each CNO element we give both the secondary and the primary components.

研究动机与目标

• 理解包层燃烧对中等质量TP-AGB恒星光度与化学演化的影响。
• 确定大质量TP-AGB恒星是否可超过钱德拉塞卡核心质量所设定的经典光度极限（Mbol ≈ -7.1）。
• 评估4–5 M⊙范围内碳星的形成情况，并与观测到的富氧、明亮AGB恒星进行比较。
• 计算CNO元素的新恒星产量，区分主次贡献，以供星族合成模型使用。

提出的方法

• 采用半解析方法，将完整的TP-AGB演化模型与从光球层延伸至核心的简化包层模型相结合。
• 从完整模型中推导出的解析关系计算包层的物理结构，从而高效计算能量传输与核燃烧过程。
• 在包层中模拟CNO循环，以追踪表面成分的变化，特别是碳、氮和氧同位素的变化。
• 追踪从首次热脉动到完全包层抛射的演化过程，针对4.0、4.5和5.0 M⊙的恒星，采用两种初始组成（Z = 0.02 和 Z = 0.008）。
• 利用 bolometric 修正计算光度与视星等，并在包层燃烧条件下检验核心质量-光度关系。
• 提取每种CNO元素的化学产量，基于核合成路径将其分解为主次成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于包层燃烧，初始质量为4–5 M⊙的TP-AGB恒星是否可超过经典光度极限（Mbol ≈ -7.1）？
• RQ2 此类恒星在包层抛射前能达到的最大绝对星等为何？该结果是否与观测到的明亮AGB恒星一致？
• RQ3 这些恒星是否会形成比Mbol ≈ -6.5更亮的碳星？或者碳富集阶段的形成是否被抑制？
• RQ4 在TP-AGB阶段，包层中CNO燃烧如何影响碳、氮、氧的表面丰度演化？
• RQ5 4–5 M⊙恒星的CNO元素产量中，主次贡献分别为何？

主要发现

• 具有包层燃烧的大质量TP-AGB恒星光度可达Mbol ≈ -6.5 至 -7，但未超过钱德拉塞卡光度极限（Mbol ≈ -7.1）。
• 在4–5 M⊙范围内，预测不会形成比Mbol ≈ -6.5更亮的碳星，与观测结果一致：明亮AGB恒星主要为富氧型。
• 包层燃烧的能量贡献导致与标准核心质量-光度关系产生可测量偏差，尤其在TP-AGB后期阶段的光度演化中表现明显。
• 由于CNO循环作用，12C表面丰度下降，14N丰度上升，其富集程度取决于初始金属丰度与恒星质量。
• 计算了C、N、O及其同位素的新主次产量，将中等质量恒星的恒星产量集合扩展至此前仅基于低质量模型的范围之外。
• 该模型支持观测中极亮碳星稀少的现象，因为包层燃烧过程抑制了高光度下碳富集大气层的形成。