The effect of near-core mixing on rejuvenation and the asteroseismic properties of massive accretors

Technische Samenvatting: Het effect van nabij-kernmenging op rejuvenatie en de asteroseismische eigenschappen van massieve accretors

Probleemstelling
De hoge frequentie van binaire interacties, met name in intermediaire- en hoogmassieve systemen, vereist een robuust begrip van hun asteroseismische afdrukken om deze te kunnen onderscheiden van enkelvoudige sterren. Eerdere studies (bijv. Wagg et al. 2024; Miszuda et al. 2025; Wu et al. 2026) hebben specifieke asteroseismische signaturen geïdentificeerd in massaaannemerende sterren, specifiek in de periode-afstand patronen (period spacing patterns, PSP's) van gravitatie-modi. Deze studies vertrouwden echter grotendeels op vaste aannames met betrekking tot nabij-kern mengprocessen, specifiek convectieve grens-menging (convective boundary mixing, CBM) en semiconvectie. Semiconvectie is theoretisch cruciaal voor het bepalen van de omvang van de groei van de convectieve kern en de mate van "rejuvenatie" (het resetten van de evolutionaire klok) in accretors, maar de efficiëntie ervan ($\alpha_{sc}$) blijft echter zeer onzeker. Het centrale probleem dat wordt aangepakt, is of de eerder geïdentificeerde asteroseismische afdrukken van accretie robuust zijn tegen variaties in de efficiëntie van semiconvectieve menging, en hoe deze variaties interageren met CBM om de interne structuur en seismische signalen van accretors te vormen.

Methodologie
De auteurs maakten gebruik van eendimensionale stellaire structuur- en evolutiemodellen gegenereerd met de Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA, r23.05.1) en stellaire pulsatieberekeningen met GYREN (v7.1).

• Stellaire Modellen: De studie nam de binaire configuratie over van Wagg et al. (2024): een primaire ster van $4 M_\odot$ en een secundaire ster van $3 M_\odot$ met een baanperiode van 5 dagen en een zonse metalliciteit. Massaoverdracht vond plaats op de thermische tijdschaal van de donor nadat deze de terminal-age main sequence (TAMS) had bereikt, waarbij de accretor $0,5 M_\odot$ won met een efficiëntie van 50%.
• Parameterstudie: De auteurs berekenden twee sets modellen voor de accretor:
  1. Modellen inclusief CBM (gemodelleerd via een exponentieel overshooting-schema met $f_{CBM} = 0,005$).
  2. Modellen die CBM volledig uitsluiten.
     Binnen beide sets werd de semiconvectieve mengings-efficiëntie ($\alpha_{sc}$) gevarieerd over een breed bereik: $0,0, 10^{-3}, 10^{-2}, 10^{-1}, 1, 10, 100, 1000$, en een model dat het Schwarzschild-criterium gebruikt (effectief oneindige efficiëntie).
• Pulsatieanalyse: Niet-roterende gravitatie-modi frequenties werden berekend voor dipool-modi ($\ell=1, m=0$). De periode-afstand patronen (PSP's) werden geconstrueerd, en de afwijkingen van de asymptotische periode-afstand ($\Pi_{\ell=1}$) werden geanalyseerd. Fourier-transformaties (FT) van de genormaliseerde PSP's werden berekend om de amplitude en frequentie van variabiliteitskenmerken in radiale orde-ruimte te kwantificeren.

Belangrijkste Resultaten

1. Dominantie van Convective Boundary Mixing (CBM):

   • In modellen inclusief CBM groeit het convectieve kern van de accretor significant nadat de massaoverdracht begint, ongeacht de semiconvectieve efficiëntie. Deze groei wordt gedreven door de exponentiële overshooting die het menggebied uitbreidt in het chemisch gestratificeerde gebied nabij de kern, waardoor de gemiddelde moleculaire gewichtsgradiënt ($\mu$-gradiënt) wordt uitgewist.
   • Als gevolg hiervan ondergaan alle CBM-modellen rejuvenatie (een toename in de centrale waterstoffractie, $X_c$). De mate van rejuvenatie is relatief ongevoelig voor $\alpha_{sc}$ voor waarden $\leq 10$.
   • In contrast hiermee volgen modellen zonder CBM het klassieke beeld van Braun & Langer (1995): rejuvenatie vindt alleen plaats als semiconvectie voldoende efficiënt is ($\alpha_{sc} \geq 0,1$). Modellen met een lage $\alpha_{sc}$ slagen er niet in hun kernen te laten groeien en ondergaan geen rejuvenatie.

2. Thermische Relaxatie en het Dubbel-gepiekte Brunt-Väisälä Profiel:

   • De studie identificeert dat het karakteristieke "dubbel-gepiekte" Brunt-Väisälä ($\tilde{N}$) frequentieprofiel, eerder gekoppeld aan accretie, primair wordt gedreven door de post-massaoverdracht thermische relaxatie van de ster.
   • Wanneer de massaoverdracht abrupt stopt (thermische-tijdschaal overdracht), treedt de ster in contractie, waarbij gravitationele energie vrijkomt. Dit veroorzaakt een transiënte, snelle expansie van de convectieve kern voorbij zijn uiteindelijke evenwichtsgrootte, gevolgd door een recessie. Dit proces creëert een specifiek chemisch compositieprofiel met een vlak plateau en steile gradiënten, wat resulteert in twee duidelijke pieken in het $\tilde{N}$-profiel.
   • Modellen met massaoverdracht op nucleaire tijdschaal (waarbij de ster in thermisch evenwicht blijft) vertonen dit contractieproces niet en missen derhalve de duidelijke dubbel-gepiekte structuur, en vertonen in plaats daarvan een enkele, gecombineerde piek die lijkt op die van niet-accreterende sterren.

3. Hoge-efficiëntie Semiconvectie en "Burst" Rejuvenatie:

   • Voor zeer hoge efficiënties ($\alpha_{sc} \geq 100$) en het Schwarzschild-model observeerden de auteurs episodische, "burst"-achtige rejuvenatie.
   • Dit wordt toegeschreven aan een seculaire "warmtemotor"-mechanisme: efficiënte menging creëert scherpe, stap-achtige discontinuïteiten in het $\mu$-profiel, wat leidt tot grote sprongen in opaciteit ($\kappa$). Deze stappen fungeren als radiatieve fluxbarrières, waardoor temperatuurgradiënten worden opgebouwd die kortstondige, uitgebreide convectieve schillen triggeren. Deze schillen mengen materiaal, waardoor de barrière tijdelijk wordt verwijderd, waarna het proces zich herhaalt.

4. Asteroseismische Afdrukken:

   • Robuustheid ten opzichte van Semiconvectie: De kwalitatieve morfologie van de PSP's (specifiek de aanwezigheid van een tweede variabiliteitscomponent in accretors vergeleken met enkelvoudige sterren) is grotendeels robuust tegen variaties in $\alpha_{sc}$ wanneer CBM is inbegrepen.
   • Rol van Fourier-transformaties: Hoewel visuele inspectie van de PSP's weinig kwalitatief verschil laat zien tussen modellen met variërende $\alpha_{sc}$, onthullen de Fourier-transformaties (FT) van de PSP's kwantitatieve verschillen. De relatieve amplitudes en locaties van de FT-pieken veranderen met $\alpha_{sc}$, met name in de magnitude van de buitenste piek geassocieerd met de door accretie geïnduceerde chemische gradiënt.
   • Diagnostische Kracht van FT's: De aanwezigheid van meerdere dominante pieken in de FT van de PSP dient als een diagnostisch middel voor de aanwezigheid van CBM. Modellen met CBM vertonen een duidelijke dubbel-gepiekte structuur in de FT (overeenkomend met het dubbel-gepiekte $\tilde{N}$-profiel), terwijl modellen zonder CBM doorgaans slechts één dominante piek vertonen (tenzij een hoge $\alpha_{sc}$ complexe schilstructuren induceert).

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de asteroseismische afdrukken van accretie zeer gevoelig zijn voor de fysieke aannames met betrekking tot nabij-kern menging, met name de inclusie van CBM.

• Herwaardering van Rejuvenatie: De auteurs stellen dat de klassieke visie (Braun & Langer 1995) dat semiconvectie de primaire drijfveer is van rejuvenatie in accretors incompleet kan zijn. In standaard stellaire evolutiecodes die overshooting gebruiken, is CBM de dominante factor die kern-groei en rejuvenatie mogelijk maakt, waardoor het systeem minder gevoelig is voor de onzekere efficiëntie van semiconvectie.
• Thermische Relaxatie als Sleutelfactor: De studie benadrukt dat de post-accretie thermische relaxatiefase cruciaal is voor het bepalen van de uiteindelijke nabij-kern structuur en het resulterende asteroseismische signaal. De specifieke vorm van het $\tilde{N}$-profiel hangt sterk af van of de massaoverdracht op thermische- of nucleaire tijdschaal plaatsvond.
• Methodologische Nut: Het werk bevestigt het nut van Fourier-transformaties van periode-afstand patronen als een instrument om de effecten van verschillende mengvoorschriften en accretiesnelheden te ontrafelen.
• Toekomstige Richtingen: De auteurs concluderen dat een verenigd beeld van accretor-seismologie een multidimensionale parameterstudie vereist die systematisch de interactie tussen CBM-voorschriften, semiconvectie-efficiëntie, accretiesnelheden en binaire configuraties verkent. Ze merken op dat het "burst" rejuvenatiemechanisme waargenomen bij hoge efficiënties een artefact kan zijn van scherpe overgangen in mengcoëfficiënten in 1D-codes en verdere onderzoek via 3D-simulaties verdient.