The Effect of Convective mixing on the Nucleosynthesis of Massive Population III Stars

Abstract

최근 몇십년간, Very metal-poor(VMP)별과 Extremely metal-poor(EMP)별의 고해상도 스펙트럼이 관측되었고 그것들의 화학적 구성이 조사되었다. VMP와 EMP 별들은 종족 III 별들이 초신성 폭발이나 항성풍을 통해 방출한 성분이 포함된 물질로부터 형성된 것으로 추측하기때문에, VMP와 EMP 별의 화학조성을 통해 종족 III 별들의 핵합성 과정을 알아볼 수 있다. 많은 VMP/EMP 별들은 많은 량의 질소를 포함하고 있는 것으로 관측되었는데, 이는 기존의 표준 항성 진화 모델로는 쉽게 설명할 수 없는 결과이다. 이것은 종족 III 별들의 진화 과정에서 수소 연소 껍질과 헬륨 연소 껍질 사이에 중요한 화학적 혼합 과정이 있었음을 의미한다. 기존의 연구들은 이러한 혼합을 만들어 관측된 과잉 질소를 설명하기 위해 회전 혼합을 적용한 모델을 이용하였다. 그러나 회전 혼합과는 달리 대류 혼합의 역할은 아직 완전히 연구되지 않았다. 이 연구에서 우리는 20M 에서 50M 사이의 질량을 갖는회전하지 않는 종족 III 별들의 1차원 항성 진화 시뮬레이션을 시행하였다. 계산 결과로, 헬륨 연소 껍질과 수소 연소 껍질 사이의 대류 혼합이 모든 모델에서 일어나, 풍부한 양의 질소가 생성되는 것이 확인되었다. 이 결과로부터 우리는 VMP/EMP 별들의 질소 과잉량을 설명하기 위해 굳이 회전 혼합을 적용할 필요는 없고, 대류 혼합으로도 충분히 그것을 설명할 수 있다고 결론내릴 수 있다.

Over the past decade, high-resolution spectra of many very metal-poor (VMP) and extremely metal poor (EMP) stars have been observed and their chemical compositions have been investigated. The abundance patterns of VMP and EMP stars may constrain the nucleosynthesis of Population III (Pop III) stars because they are supposed to be composed of the material enriched by supernovae or wind ejecta of Pop III stars. Many VMP/EMP stars are observed to have large amounts of nitrogen, which can not be easily explained by standard stellar evolution models. This implies that significant chemical mixing between the hydrogen burning and helium burning regions occurred in Pop III stars. Previous studies usually invoked rotational mixing to explain this overabundance of nitrogen. However, the role of convective mixing has not been thoroughly explored yet. In this study, we performed one-dimensional stellar evolution simulations of non-rotating Pop III stars with initial masses ranging from 20M to 50M , adopting various overshooting parameters. In our grid calculations, convective mixing between the helium burning layers and hydrogen burning shell occurred in all models, which leads to abundant production of primary nitrogen. We conclude that convective mixing may explain the over-abundance of nitrogen in VMP/EMP stars, and that we do not necessarily have to invoke rotational mixing.