Mixing processes in stellar interiors [Elektronische Ressource] : new insights from asteroseismology / Víctor Silva Aguirre. Betreuer: Achim Weiß

Ÿþvictor Silva Aguirre

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 28
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Mixing processes in stellar interiors:
new insights from asteroseismology
V´ıctor Silva Aguirre
¨Munchen 2011Mixing processes in stellar interiors:
new insights from asteroseismology
V´ıctor Silva Aguirre
Dissertation
an der Fakultats¨ fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universitat¨
Munchen¨
vorgelegt von
V´ıctor Silva Aguirre
aus Santiago, Chile
¨Munchen, den 14.10.2011Erstgutachter: Priv. Doz. Dr. Achim Weiß
Zweitgutachter: Priv. Doz. Dr. Joachim Puls
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 30.11.2011Contents
Zusammenfassung xiii
Summary xiv
Preface xvi
1 Basic principles of stellar structure and evolution 1
1.1 Preliminary considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Relevant time scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Nuclear reactions and chemical composition . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Evolution across the Hertzsprung–Russell Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Pre-main sequence phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Main sequence evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Subgiants, giants, and clump giants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Advanced stages of evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Modeling stars: a naive first look . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Macrophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Microphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Modeling stars with GARSTEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Pulsating stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Stellar oscillations 23
2.1 Fluid dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Continuity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Euler’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.4 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Equations of non-radial stellar oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Equilibrium structure and perturbation theory . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Separation of variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Modes, frequencies and asymptotic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4 Frequency dierences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 The CoRoT and Kepler missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40vi CONTENTS
3 Mixing processes in stellar cores 47
3.1 Motivation: the case of HD 49933 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Ingredients of the stellar models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 Boundaries of convective and semiconvective zones . . . . . . . . . . . . 52
3.2.2 Prescription for semiconvective layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Impact on the stellar models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.1 Convective boundary definition criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2 Main-sequence evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.3 Eects of mixing in semiconvective layers . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Asteroseismic diagnoses for stellar interiors 63
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Seismic variables suited to isolate the core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Sensitivity of r and r to the core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6510 01
4.4 Influence of mixing prescriptions on r and r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6810 01
4.5 Breaking the degeneracy: splitting mixing prescriptions and finding convective
cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5 Ensemble asteroseismology usingKepler data 77
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Extracting mass and radius from asteroseismic data . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Data analysis and stellar properties determination . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6 Sounding deep stellar interiors: convective cores inKepler main-sequence targets 91
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Characteristics of the chosen targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 Grid-based analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4 The frequency ratios: precise mass estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5 They ratios: unveiling convective cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.6 Discussion and perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7 Conclusions and future outlook 115
7.1 Mixing, convective cores, and main-sequence evolution . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 Probing convective cores with stellar pulsations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.3 From dreams to data: stellar cores as seen by Kepler . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.4 From individual stars to stellar populations and galaxies: the future of asteroseis-
mology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118vii
A Variable separation and spherical harmonics 121
Bibliography 127
Acknowledgments 138
Curriculum Vitae 141viii Table of ContentsList of Figures
1.1 Hertzsprung-Russell Diagram for dierent masses at a fixed composition . . . . . 6
1.2 of main-sequence and red giant evolution for 1 M
and 8 M stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7