利用星震学方法探测小质量恒星的重元素扩散效应

论文摘要

元素扩散是一种基本的元素转移的物理机制。当恒星内部的物理条件（如压强、温度和密度）发生变化或者粒子受到外力（重力沉淀或辐射力）作用时元素扩散过程就会发生。元素扩散的时标很长,一般说来在太阳环境中元素扩散经过一个太阳半径所用的时间约为1013yr,因此过去通常认为元素扩散对恒星的结构影响很小并常常被忽略。然而,日震频率精确计算的要求证明了元素扩散在太阳模型中的重要性。并且考虑了扩散的太阳模型,它的振动能谱、太阳表面的氦元素丰度值以及对流包层的深度与日震反演的结果比非扩散的模型要符合的更好。后来许多研究元素扩散对太阳及其它恒星的演化影响的工作也展开了。例如,通过讨论球状星团恒星的模型和等时线发现元素扩散可以减少恒星主序阶段的年龄同时降低恒星表面的有效温度。由于元素扩散的时标非常长,所以对于比太阳更年老的恒星,扩散的效应更加明显和有效。但是对于主序早期阶段的恒星,我们不知道元素扩散效应是否应该被考虑。为了研究这个问题,我们选择了活动性较强的晚型恒星εEridani作为研究对象。εEridani距离太阳比较近,观测资料非常丰富,同时观测上给出了大量的证据都证明了εEridani是一颗刚刚进入主序阶段的恒星,它的质量和年龄都比太阳要小。同时随着日震学的成熟发展,星震学也成为探测恒星内部结构的一种基本工具。考虑了重元素（包括氦元素和金属元素）扩散效应之后来构造εEridani恒星的平衡结构模型。应用星震学的方法来分别探测氦元素和金属元素扩散对恒星的演化、内部结构及恒星p-mode振动频率的影响。通过研究我们得出结论:重元素扩散可以改变恒星内的化学元素组成,恒星内部重元素增多,氢元素减少,影响了恒星的热核反应,加速了恒星的演化,降低了恒星的年龄;利用振动频率的二阶频率间隔Δ2υ来探测对流区底部位置的变化,发现重元素扩散可以加深对流包层的深度;同时应用小频率间隔du+2和频率间隔比率ru+2来探测恒星内部结构的变化,发现重元素扩散特别是金属元素扩散对恒星内部结构有重要的影响;因为金属元素对不透明度非常敏感,考虑了金属元素扩散的模型改变了恒星内部的温度轮廓,所以影响了恒星内部声速的大小进而改变了恒星的振动频率。最后,结论证明了即使对于小质量年轻的恒星仍不能忽略元素扩散的效应,并且在恒星刚刚进入主序的早期阶段,金属元素扩散比氦元素扩散的效应更明显。考虑了重元素扩散效应之后可以使恒星的结构演化模型更加完善,这不仅对小质量恒星的研究有重要的影响,同时对研究整个恒星结构演化中的物理问题也具有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 太阳内部元素扩散及日震学诊断
• 1.2 其它小质量恒星元素扩散效应的研究
• 1.2.1 氦元素扩散效应研究
• 1.2.2 金属元素扩散效应研究
• 1.2.3 重元素扩散的星震学诊断
• 第二章 元素扩散的物理过程和基本方程
• 2.1 恒星内部的基本物理过程
• 2.2 元素扩散的物理过程
• 2.2.1 扩散和外力
• 2.2.2 重力沉淀和辐射力
• 2.2.3 扩散和温度梯度
• 2.3 元素扩散方程
• 2.3.1 Chapman&Cowling扩散方程
• 2.3.2 Burgers扩散方程
• 2.3.3 恒星结构演化程序（YREC）中对元素扩散的处理
• 第三章 星震学方法探测恒星内部结构
• 3.1 恒星振动的基本方程组
• 3.2 绝热振动的渐进理论
• 3.2.1 振动方程的渐进行为
• 3.2.2 p-modes的渐进性质
• 3.3 星震学对小质量恒星内部结构的诊断
• 第四章 小质量恒星ε Eridani的重元素扩散效应应用
• 4.1 引言
• 4.2 ε Eridani的观测资料
• 4.3 程序介绍和模型计算
• 4.4 星震学方法探测重元素扩散效应
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢