大质量主序星的 3D 流体动力学模拟。I. 对流与内部重力波的运动与混合

我们对一颗 $25\ \mathrm{M_\odot}$ 恒星在主序早期阶段内约 $\approx 50\%$ 半径范围进行了 3D 流体动力学模拟，并研究了核包层边界区域中的核对流与内部重力波。针对不同网格分辨率与驱动光度的模拟建立了标度关系，以约束一维应用中的混合模型。如先前工作所示，外推到标称加热的湍流质量夹带率高得不合理（$1.58\times 10^{-4}\ \mathrm{M_\odot/yr}$），我们结合模拟对非初始分层平衡响应的角度进行了讨论。我们在模拟中定量测量了由核对流与边界相互作用激发的内部重力波所导致的混合效应。作为频率与波长函数的波功率谱密度与基于一维球平均径向轮廓的 GYRE 本征模预测吻合良好。对每次模拟确定了能重现球平均丰度分布演化的扩散系数轮廓。通过本征模分析与标度关系的结合，表明在 $N^2$ 峰值区域，混合由内部重力波引起，并在超过 $\gtrapprox 2\ \mathrm{dex}$ 的加热因子范围内遵循标度关系 $D_\mathrm{IGW-hydro} \propto L^{4/3}$。讨论了将混合效率外推至标称加热的不同方式。若内部重力波混合源于热增强剪切混合，则在对流核之上的 $N^2$ 峰值区域，标称加热下的上限为 $D_\mathrm{IGW} \lessapprox 2$ 至 $3\times 10^4\ \mathrm{cm^2/s}$。