Combining stellar structure and evolution models with multi-dimensional hydrodynamic simulations

Die vorliegende Dissertation widmet sich einer verbesserten Darstellung von hydrodynamischen Prozessen in eindimensionalen (1D) Modellen zur Beschreibung der Struktur und Entwicklung von Sternen. 1D Modelle bilden das Ruckgrat des theoretischen Verstandnisses von Sternen und sind aufgrund ihres geringen Rechenaufwands von unschatzbarem Wert fur die Interpretation von Beobachtungen. Fast alle Bereiche der Astrophysik bauen daruber hinaus direkt oder indirekt auf einem detaillierten Verstandnis der inneren Struktur und der Entwicklung von Sternen auf. Damit spielen realistischere Sternenmodelle eine entscheidende Rolle im Bestreben, den Kosmos besser zu verstehen. Aus diesem Grund erstelle ich in dieser Arbeit 1D Sternenmodelle, die eine physikalisch verbesserte Darstellung verschiedener konvektiver Grenzschichten ergeben, und ich untersuche, wie sich diese verbesserte theoretische Modellierung auf die stellaren Eigenschaften auswirkt. Die Energie, die durch Kernfusion im Inneren von Sternen erzeugt wird, wird durch Strahlung, Warmediffusion und Konvektion an die Oberflache transportiert. Wegen der inharent dreidimensionalen (3D) Natur von superadiabatischen turbulenten Stromungen sowie der komplexen Dynamik des Strahlungsfeldes im photospharischen Ubergangsbereich greift man zur theoretischen Modellierung des Energietransportes in 1D Sternenmodellen ublicherweise auf vereinfachte Parametrisierungen zuruck. Vergleiche mit Beobachtungen zeigen jedoch, dass diese Vorgehensweise fur Sterne mit konvektiven Hullen eine unzureichende Darstellung der auseren Schichten zur Folge hat. Die Sonne ist ein prominentes Beispiel fur einen solchen Stern. Insbesondere die Oberflachenschwingungen von Sternen mit konvektiven Hullen deuten offenkundig auf diese Modellmangel hin, da die vorhergesagten seismischen Eigenschaften systematisch von den Beobachtungen abweichen. Das beschriebene Modelldefizit hat jedoch noch weitere Folgen: Die Berechnung von Sternenmodellen lauft auf die Losung gekoppelter Differentialgleichungen hinaus. Die unvollstandige Darstellung der ausersten superadiabatischen Schichten liefert daher fehlerhafte Randbedingungen fur die zugrundeliegenden Differentialgleichungen, welches den vorausgesagten Entwicklungsweg beeinflusst. Wahrend 1D Modelle die Physik der Oberflachenregion nicht verlasslich beschreiben konnen, zeichnen 3D strahlungs-hydrodynamische (RHD) Simulationen von stellaren Hullen ein realistischeres Bild. Diese 3D Simulationen beschranken sich jedoch auf die Oberflachenregion: Die ganzheitliche Berechnung der Struktur und Entwicklung eines Sterns, die fur 1D Modelle moglich ist, steht derzeit auser Reichweite. Trotz des enormen Rechenaufwands, der auch mit 3D Simulationen von Hullen verbunden ist, stehen seit Kurzem umfangreiche Datenbanken mit solchen Simulationen zur Verfugung. Indem ich die auseren Schichten von 1D Sternenmodellen durch gemittelte 3D Hullen ersetze, bin ich in der Lage, 1D Modelle zu konstruieren, die die Vorzuge der hinzugezogenen 3D RHD Simulationen korrekt widerspiegeln. Das dazu benotigte Interpolationsverfahren sowie die Substitutionsmethoden wurden im Zusammenhang mit der vorliegenden Arbeit entwickelt. Durch die Verknupfung von 1D mit 3D Modellen erreiche ich eine deutlich verbesserte Ubereinstimmung mit seismischen Sonnenbeobachtungen. Zugleich stelle ich durch immer komplexere Verfahren stufenweise sicher, dass die innere Struktur der Modelle mit den verbesserten auseren Schichten im Einklang steht. Durch Vergleiche mit Beobachtungen von kuhlen Hauptreihensternen wird aufgezeigt, dass die entwickelten Methoden eine leistungsstarke Weiterentwicklung des Standardverfahrens darstellen. Diese Arbeit enthalt somit nicht nur eine Zusammenfassung der Methodenentwicklung und -Validierung, sondern auch Anwendungen auf Daten. Des Weiteren wende ich mich den unteren Schichten von konvektiven Hullen zu: Basierend auf Parametrisierungen von multidimensionalen hydrodynamischen Simulationen, untersuche ich den Einfluss verschiedener zusatzlicher Mischungsprozesse in der unteren Randzone. Obwohl die untersuchten Implementierungen allein nicht ausreichen, um alle Beobachtungseinschrankungen zu erfullen, veranschaulicht die Studie, wie 1D Sternenmodelle durch die Verwendung multidimensionaler hydrodynamischer Simulationen profitieren konnen. Qualitativ hochwertige Beobachtungen zeigen, kurz gesagt, mehrere Mangel an Standard 1D Sternenmodellen auf. Diese Arbeit stellt verschiedene Methoden vor, um diesen Modellmangeln entgegenzutreten, und wendet diese Methoden an, um zu einem besseren Verstandnis von kuhlen Sternen beizutragen.