Mesa学习笔记#1：Running MESA
Running MESA
关于如何使用MESA来演化一颗恒星。***$MESA_DIR***目录有许多子目录。这些子目录中的大多数都是模块(MESA中的“M”)，它们提供一些特定的功能(例如，“kap”提供计算不透明度的例程)。最重要的模块是“star”，它包含一个模块，该模块知道如何将所有其他模块的功能放在一起，通过一个步骤推进一个star模型的状态，然后为下一步建立一个新的时间增量。基本上，这就是它的全部功能。
这里是为了一个可以用这些模块进行多步恒星演化的程序。这样的程序位于star/work目录中，我们将从那里开始。
1. Make a copy of the star/work directory
在主MESA目录之外的其他地方执行和存储工作。这将在将来的某个时候对新的MESA版本进行更新时简化工作。因此，每当启动一个新的MESA项目时，应该创建一个新的star/work目录副本。
cp -r $MESA_DIR/star/work tutorial
复制了工作副本，接下来开始编译其中的代码。
cd tutorial
./mk
2. Set up configuration files
工作目录已经包含了一组简单的配置文件，将从一个15太阳质量的恒星演化到零龄主序(核心氢点火)。现在，不需要编辑任何内容，查看一下这些文件。
2.1. inlist
这是MESA启动时读取的第一个内列表文件。文件inlist通常用于指示MESA读取一个或多个其他内链表文件。
恒星文件inlist包含五个部分 (technically fortran “namelists”) :
star_job - options for the program that evolves the star
eos - options for the MESA eos module
kap - options for the MESA kap module
controls - options for the MESA star module
pgstar - options for on-screen plotting
名称列表中定义都是这样的形式：
name = value ! comment
使用正常的fortran语法指定值。空行和注释行可以自由地包含在列表中。在包含名称-值对的行开始使用空格也是可以的，因此可以(也应该)缩进内容以使其更具可读性。
所有的控件在初始化时都有合理的默认值，因此只需要设置实际想要更改的那些。
! This is the first inlist file that MESA reads when it starts.
! This file tells MESA to go look elsewhere for its configuration
! info. This makes changing between different inlists easier, by
! allowing you to easily change the name of the file that gets read.
&star_job
read_extra_star_job_inlist1 = .true.
extra_star_job_inlist1_name = 'inlist_project'
/ ! end of star_job namelist
&eos
read_extra_eos_inlist1 = .true.
extra_eos_inlist1_name = 'inlist_project'
/ ! end of eos namelist
&kap
read_extra_kap_inlist1 = .true.
extra_kap_inlist1_name = 'inlist_project'
/ ! end of kap namelist
&controls
read_extra_controls_inlist1 = .true.
extra_controls_inlist1_name = 'inlist_project'
/ ! end of controls namelist
&pgstar
read_extra_pgstar_inlist1 = .true.
extra_pgstar_inlist1_name = 'inlist_pgstar'
/ ! end of pgstar namelist
2.2. inlist_project
我们将使用这些选项从一个前主序模型构建一个15倍太阳质量的恒星，然后在到达零龄主序(ZAMS)时停止演化。
! inlist to evolve a 15 solar mass star
! For the sake of future readers of this file (yourself included),
! ONLY include the controls you are actually using. DO NOT include
! all of the other controls that simply have their default values.
&star_job
! see star/defaults/star_job.defaults
! begin with a pre-main sequence model
create_pre_main_sequence_model = .true.
! save a model at the end of the run
save_model_when_terminate = .false.
save_model_filename = '15M_at_TAMS.mod'
! display on-screen plots
pgstar_flag = .true.
/ ! end of star_job namelist
&eos
! eos options
! see eos/defaults/eos.defaults
/ ! end of eos namelist
&kap
! kap options
! see kap/defaults/kap.defaults
use_Type2_opacities = .true.
Zbase = 0.02
/ ! end of kap namelist
&controls
! see star/defaults/controls.defaults
! starting specifications
initial_mass = 15 ! in Msun units
initial_z = 0.02
! when to stop
! stop when the star nears ZAMS (Lnuc/L > 0.99)
Lnuc_div_L_zams_limit = 0.99d0
stop_near_zams = .true.
! stop when the center mass fraction of h1 drops below this limit
xa_central_lower_limit_species(1) = 'h1'
xa_central_lower_limit(1) = 1d-3
! wind
! atmosphere
! rotation
! element diffusion
! mlt
! mixing
! timesteps
! mesh
! solver
! options for energy conservation (see MESA V, Section 3)
energy_eqn_option = 'dedt'
use_gold_tolerances = .true.
! output
/ ! end of controls namelist
2.2. inlist_pgstar
这包含了屏幕上绘图的选项。
&pgstar
! see star/defaults/pgstar.defaults
! MESA uses PGPLOT for live plotting and gives the user a tremendous
! amount of control of the presentation of the information.
! show HR diagram
! this plots the history of L,Teff over many timesteps
HR_win_flag = .true.
! set static plot bounds
HR_logT_min = 3.5
HR_logT_max = 4.6
HR_logL_min = 2.0
HR_logL_max = 6.0
! set window size (aspect_ratio = height/width)
HR_win_width = 6
HR_win_aspect_ratio = 1.0
! show temperature/density profile
! this plots the internal structure at single timestep
TRho_Profile_win_flag = .true.
! add legend explaining colors
show_TRho_Profile_legend = .true.
! display numerical info about the star
show_TRho_Profile_text_info = .true.
! set window size (aspect_ratio = height/width)
TRho_Profile_win_width = 8
TRho_Profile_win_aspect_ratio = 0.75
/ ! end of pgstar namelist
3. Run MESA
现在运行代码就像输入一样简单：
./rn
MESA将通过终端输出保持更新：
step lg_Tmax Teff lg_LH lg_Lnuc Mass H_rich H_cntr N_cntr Y_surf eta_cntr zones retry
lg_dt_yr lg_Tcntr lg_R lg_L3a lg_Lneu lg_Mdot He_core He_cntr O_cntr Z_surf gam_cntr iters
age_yr lg_Dcntr lg_L lg_LZ lg_Lphoto lg_Dsurf C_core C_cntr Ne_cntr Z_cntr v_div_cs dt_limit
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________
800 7.455602 2.821E+04 4.211546 4.211546 15.000000 15.000000 0.699864 0.001978 0.280000 -5.912231 873 0
2.364495 7.455602 0.837935 -33.599828 3.029214 -99.000000 0.000000 0.279998 0.009380 0.020000 0.014924 3
4.5570E+04 0.596891 4.432022 -11.138110 -99.000000 -9.090996 0.000000 0.002618 0.002085 0.020138 0.000E+00 varcontrol
MESA还将显示一些pgstar图，如下所示:
这应该运行大约850步，然后停止，并显示以下消息:
stop because Lnuc_div_L >= Lnuc_div_L_zams_limit
4. Resuming MESA
在整个运行过程中，并不局限于使用相同的参数设置。可以停止运行，编辑inlist文件，并使用新的设置重新启动。这种停止-重新启动机制经过精心构造，因此如果从中间状态重新启动而不更改任何控件，将得到完全相同的结果。要做到这一点，保存的信息必须是完整的，这意味着有很多信息。为了使其快速运行，重新启动信息被转储为二进制格式。这些二进制转储称为“照片”，并保存在具有相同名称的子目录中。
需要强调的是，照片不适合模特长期储存。特别是，当更新到新版本的MESA star时，应该预料到现有的照片文件将会过时。
如果在运行的终端输出中向后滚动，应该会发现如下一行(尽管MESA版本之间的数字可能略有不同):
save photos/x849 for model 849
指示在运行终止时自动保存其中一个快照。
在编辑器中打开inlist_project。可以看到有两个停止条件：
! stop when the star nears ZAMS (Lnuc/L > 0.99)
Lnuc_div_L_zams_limit = 0.99d0
stop_near_zams = .true.
! stop when the center abundance by mass of h1 drops below this limit
xa_central_lower_limit_species(1) = 'h1'
xa_central_lower_limit(1) = 1d-3
正如MESA在终止消息中指出的那样，我们停止是因为第一个条件(ZAMS自然是在h耗尽之前)。通过编辑inlist来关闭这个停止条件：
stop_near_zams = .false.
并保存inlist文件。
现在可以使用照片和新设置重新启动。试一试。
./re x849
这将恢复849型的运行，但这一次，当我们的其他条件满足时，当中心氢降到1e-3以下时，运行将停止。这将发生在975型左右。
5. Saving a model
照片文件是机器可读的二进制文件，它不是为可移植到不同的机器甚至不同版本的MESA而设计的。因此，我们需要另一种方法来保存模型，以便我们以后使用它，可能作为以后运行的初始模型，或者发送给某人，让他们与自己的MESA副本一起使用。
在运行结束时保存一个模型文件。转到inlist的&star_job部分的以下行:
! save a model at the end of the run
save_model_when_terminate = .false.
save_model_filename = '15M_at_TAMS.mod'
告诉MESA想在最后保存一个模型文件，方法是编辑inlist并将save_model_when_terminate更改为true。
保存文件，然后从与以前相同的位置重新启动MESA。
./re x849
这次当运行结束时，MESA将保存一个名为15M_at_TAMS.mod的模型。
6. Loading a model
现在可以开始研究恒星的后主序列演化，使用刚刚保存的模型开始一个新的MESA运行。为了做到这一点，列表可能是这样的:
&star_job
! see star/defaults/star_job.defaults
! start a run from a saved model
load_saved_model = .true.
load_model_filename = '15M_at_TAMS.mod'
! display on-screen plots
pgstar_flag = .true.
/ !end of star_job namelist
&eos
! eos options
! see eos/defaults/eos.defaults
/ ! end of eos namelist
&kap
! kap options
! see kap/defaults/kap.defaults
use_Type2_opacities = .true.
Zbase = 0.02
/ ! end of kap namelist
&controls
! see star/defaults/controls.defaults
! options for energy conservation (see MESA V, Section 3)
energy_eqn_option = 'dedt'
use_gold_tolerances = .true.
! configure mass loss on RGB & AGB
cool_wind_RGB_scheme = 'Dutch'
cool_wind_AGB_scheme = 'Dutch'
RGB_to_AGB_wind_switch = 1d-4
Dutch_scaling_factor = 0.8
/ ! end of controls namelist
如果想尝试一下，请将前面的文本保存为工作目录中名为inlist_load的文件。确保文件以一个空白的新行结束。然后编辑主inlist文件，使它在inlist中各处使用inlist_load而不是inlist_project(即extra_star_job_inlist1_name和extra_controls_inlist1_name)。
然后继续：
./rn
MESA将使用新保存的文件启动。与照片不同，保存的模型没有系统内部状态的完整快照。照片保证给出相同的结果;保存的模型则不是。当运行已保存的模型时，与在保存之前的运行中看到的模型相比，可能会有微小的差异。差异应该是很小的。
7. Learning about the many MESA options
看完前面的列表后，更迫切的问题可能是“这些选项是从哪里来的?”以及“如何找到适合的选项?”
包含所有MESA选项及其默认值的描述的文件位于该目录中：
$MESA_DIR/star/defaults
选项是按它们所属的名称列表组织的。因此，文件controls.defaults包含控件名称列表中选项的讨论。
假设我们想更多地了解这个“Dutch_wind”是什么。在controls.defaults中搜索单词“Dutch”，很快就会找到这些选项的以下摘要。
! Dutch_scaling_factor
! ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
! The "Dutch" wind scheme for massive stars combines results from several papers,
! all with authors mostly from the Netherlands.
! The particular combination we use is based on
! Glebbeek, E., et al, A&A 497, 255-264 (2009) [more Dutch authors!]
! For Teff > 1e4 and surface H > 0.4 by mass, use Vink et al 2001
! Vink, J.S., de Koter, A., & Lamers, H.J.G.L.M., 2001, A&A, 369, 574.
! For Teff > 1e4 and surface H < 0.4 by mass, use Nugis & Lamers 2000
! Nugis, T.,& Lamers, H.J.G.L.M., 2000, A&A, 360, 227
! Some folks use 0.8 for non-rotating mdoels (Maeder & Meynet, 2001).
! ::
Dutch_scaling_factor = 0d0
! Dutch_wind_lowT_scheme
! ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
! For Teff < 1e4
! Use de Jager if ``Dutch_wind_lowT_scheme = 'de Jager'``
! de Jager, C., Nieuwenhuijzen, H., & van der Hucht, K. A. 1988, A&AS, 72, 259.
! Use van Loon if ``Dutch_wind_lowT_scheme = 'van Loon'``
! van Loon et al. 2005, A&A, 438, 273.
! Use Nieuwenhuijzen if ``Dutch_wind_lowT_scheme = 'Nieuwenhuijzen'``
! Nieuwenhuijzen, H.; de Jager, C. 1990, A&A, 231, 134
! ::
Dutch_wind_lowT_scheme = 'de Jager'
可以浏览.defaults文件，以熟悉可用的内容。选择的数量太多，可以使用test_suite。