考虑了自转的太阳金属丰度恒星模型

(首先特别致歉一下,昨天我看到叶泉志同学最近保存的一篇草稿读上去似乎已经完成就顺手发出了,那篇文章叶同学还没完成,所以已经撤下了;这周主要是因为我周末在单位的会议上要做报告,所以比较忙,本来想偷懒一下的。。。今天给大家介绍一篇刚刚看到的文章,题目是我很感兴趣的恒星演化模型,简单的介绍给大家吧)

文章:Grids of stellar models with rotation – I. Models from 0.8 to 120 Msun at solar metallicity (Z = 0.014)

  • 作者:Sylvia Ekström, Cyril Georgy, Patrick Eggenberger, Georges Meynet, Nami Mowlavi, Aurélien Wyttenbach, Anahí Granada, Thibaut Decressin, Raphael Hirschi, Urs Frischknecht, Corinne Charbonnel
  • 论文索引:astro-ph/1110.5049
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章概要:

恒星演化模型有多重要不用我说了吧,似乎我没事就在Astroleaks上强调这一点吧,而且想必大家都知道我们课本上讲的恒星模型基本是无自转的,这显然是错的,但是究竟在多大程度上影响恒星演化模型呢?可能学过恒星结构演化课程的同学应该会记得,传统的授课中是用恒星自转能量和恒星自引力能之间的量级差别来反映自转并不决定性的影响恒星演化模型的静态求解,这是没错,但是现在显然到了需要对这个简化模型进行提高的时候了,本文就介绍了一组在太阳丰度下建立的考虑了自转的恒星演化模型网格;显然,在这里介绍求解恒星结构方程的方方面面超出了我的能力范围,尤其我自己并没有做过相关的工作,只是感兴趣,所以还是简单的把本文的工作和考虑自转带来的影响介绍给大家吧。另外,文章中提供的模型网格,和这个小组之前的所有工作都可以在这里下载到。

正如文章在摘要开头就提到的,一个完整的,均匀的,多金属丰度的恒星演化模型网格是天体物理中很多研究的基础,从研究超新星或GRB的不同爆发机制,前身星,到系外行星系统中心恒星性质和行星形成的联系,再到研究星系尺度上,恒星形成历史的演化等等;本文工作的重要之处就是第一次给出了一个完整和均匀的考虑了恒星自转的模型网格,虽然目前还只有太阳金属丰度的模型,但已经是一个很好的开始了,这组网格中包括了从0.8-120太阳质量的恒星,基本上覆盖了一般的研究范围,网格中提供了每个质量恒星在演化中的400个阶段数据点,涵盖了各种重要的物理量,对于不同质量的恒星,模型从零龄主序(ZAMS)计算到了不同的演化阶段,比如对大质量恒星,模型到核心C燃烧阶段结束,中等质量恒星一直计算到了AGB星的早期阶段,而对于低质量恒星,模型考虑到了核心He闪阶段;得到了这样的模型之后,首先可以和之前的演化模型进行对比,对一些基本的模型要素进行研究,比如恒星大气的不透明度,核反应速率,恒星质量损失等等,并且还可以在模型层面上研究一些新的物理过程,比如低质量恒星中和自转相关的磁刹车(magnetic braking)过程对演化的影响等等;此外,通过新模型和各种恒星观测对比发现,考虑了自转的模型很好的符合了非相互作用太阳金属丰度恒星的平均演化,比如主序宽度,红巨星和其他演化阶段在赫罗图上的位置,恒星表面元素丰度和自转速度关系等等,此外,在特定的演化阶段,对恒星在演化晚期的质量损失提供了新的视角。


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图一:本文的考虑自转的恒星模型提供的不同质量恒星演化的等年龄线 (isochrone)

背景知识:

Asplund et al. 2005年的文章再次更新了太阳表面的元素丰度,这个新的观测结果在很多方面都有改进但是却依然不能在原有的恒星演化模型的基础上和新的日震学观测数据符合在一起,在一定程度上意味着还有物理机制没有很好的考虑在内。在太阳模型之外,考虑的更好的恒星质量损失模型也被考虑到主序晚期和Wolf-Rayet星的演化当中去,但是却似的图像更加复杂和难以解释;而最近的恒星表面丰度变化的观测也指出了在恒星大气的辐射区中存在着混合过程,等等等等,不过除了这些依然存在的问题,目前的观测也带来了新的希望,大天区多目标光谱仪对恒星的巡天可以在更完善的程度上研究大批量恒星的年龄,丰度等性质,而我们介绍过的星震学,红外干涉仪成像以及分光偏振观测等等,已经可以开始揭示出一些临近恒星的真实形状,大小,星风的形态,表面磁场,甚至内部对流区深度和大小等等;在这样的情况下,系统的把恒星自转考虑进演化模型确实是非常重要的工作了。


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图二:在非自转恒星模型中,不同质量的恒星的等年龄线;图中的颜色尺度反映了恒星的表面N原子的数密度;黑色虚线意味着恒星演化进入了Wolf-Rayet星阶段;其中的灰色区域反应了经典造父变星的不稳定带范围。

为了构建这样一个复杂而且需要尽量完备的模型网格,大量的物理要素需要被考虑在内,其中包括了:

  • 1. 初始金属丰度,大气不透明度,状态方程
  • 2. 恒星内部核反应网络,包括了可能发生的反应和速率,产出等等
  • 3. 对流和扩散过程,包括用什么标准来限制对流区(Schwarzschild criterion),如何估计其大小,如何考虑可能很重要的overshooting过程和混合,扩散过程
  • 4. 自转,这是本文的重点,本文综合了之前对恒星自转和恒星演化关系的一系列研究的结果,还有如下一系列和自转相关的物理过程需要考虑
  • 4.1. 扩散系数和子午环流需要考虑在内
  • 4.2. 与自转息息相关的内部角动量输运过程也需要考虑在内
  • 4.3. 角动量守恒也是不能不考虑的
  • 5. 恒星磁场,虽然还很难从磁场的形成开始把它考虑在恒星模型中去,但是依然需要把磁场考虑在内,尤其是对于小质量的恒星
  • 6. 恒星质量损失,这也是非常重要的物理因素,尤其是对于大质量恒星的演化晚期,这里面,还需要对辐射产生的损失和其他机制产生的损失区别对待

  • fig3

    图三:本文的考虑了自转的恒星模型的等年龄线分布,图中的标注和上图相同,可以看到模型上面的差别;图中还表示出了模型的等自转速度线。

    当然,说来容易做来难,上面这些物理过程中依然有很多的不确定性,而且想把他们结合在一起绝不是件容易的事情,关于具体的模型构建的过程,还是需要大家自己研究文章的;总的来说,和非旋转模型相比,本文提供的模型提供了一个更加真实的恒星演化考虑,尤其是在考虑了自转引入的混合过程,真实的对流区overshooting描述上面,比如在非自转的恒星模型中使用很高的overshooting也可以得到主序宽度的比较好的描述,但是不能够同时把恒星自转速度和表面元素丰度的关系考虑的很好,而本文的模型可以同时做到,从一定程度上让我们看到自转对恒星演化确实有着基本层面上的影响;除了提供的演化模型网格之外,由于考虑了更接近真实的物理,本文还对红超巨星的质量损失速率提供了新的描述,对于这些质量在20-32太阳质量之间的红超巨星,非常高比例的质量损失可以让它们重新回到赫罗图上颜色偏蓝的一侧。

    延伸阅读:

  • 1. OPAL不透明度代码
  • 2. Network Generator:核反应网络生成程序
    • 分享到:

    7 Replies to “考虑了自转的太阳金属丰度恒星模型”

    1. ngc2264

      Opera 11.52 MacIntosh

      今天看到眼前一亮,写得也太快了。不过这篇写得很短,不知道能不能引用上千。最后一句话。。。能不能解释SN1987A的?

    2. Bofeng Tang

      Firefox 6.0.2 Windows XP

      终于是看到了和自己目前所做的工作相近的文章了。作者中的Meynet和Maeder(我戏称MM组合)写了几十篇关于考虑自转和磁场后恒星结构与演化的论文,篇篇都很经典。Yale有个小组作出过二维的考虑自转、磁场和湍流压三个因素的太阳模型,也很厉害。

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