[論文レビュー] Angular momentum redistribution by mixed modes in evolved low-mass stars. II. Spin-down of the core of red giants induced by mixed modes

K. Belkacem, J. P. Marques+7 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用数 38

ひとこと要約

この論文は、CoRoTおよびKeplerからの星くずみ観測を用いて、進化した低質量星における混合モードによる角運動量輸送を調査している。混合モードは、進化した赤色特巨星において、特に水素燃焼シェルで、コアからの角運動量を効率的に抽出することが判明した。これにより、収縮に伴うコアの回転速度上昇を相殺できる。これは観測されたコアの回転速度低下を説明する妥当なメカニズムであるが、準巨星および初期赤色特巨星では不十分である。

ABSTRACT

The detection of mixed modes in subgiants and red giants by the CoRoT and \emph{Kepler} space-borne missions allows us to investigate the internal structure of evolved low-mass stars. In particular, the measurement of the mean core rotation rate as a function of the evolution places stringent constraints on the physical mechanisms responsible for the angular momentum redistribution in stars. It showed that the current stellar evolution codes including the modelling of rotation fail to reproduce the observations. An additional physical process that efficiently extracts angular momentum from the core is thus necessary. Our aim is to assess the ability of mixed modes to do this. To this end, we developed a formalism that provides a modelling of the wave fluxes in both the mean angular momentum and the mean energy equations in a companion paper. In this article, mode amplitudes are modelled based on recent asteroseismic observations, and a quantitative estimate of the angular momentum transfer is obtained. This is performed for a benchmark model of 1.3 $M_{\odot}$ at three evolutionary stages, representative of the evolved pulsating stars observed by CoRoT and Kepler. We show that mixed modes extract angular momentum from the innermost regions of subgiants and red giants. However, this transport of angular momentum from the core is unlikely to counterbalance the effect of the core contraction in subgiants and early red giants. In contrast, for more evolved red giants, mixed modes are found efficient enough to balance and exceed the effect of the core contraction, in particular in the hydrogen-burning shell. Our results thus indicate that mixed modes are a promising candidate to explain the observed spin-down of the core of evolved red giants, but that an other mechanism is to be invoked for subgiants and early red giants.

研究の動機と目的

• 進化した低質量星のコアから混合モードが角運動量をどれほど効率的に抽出できるかを評価すること。
• 標準的な星の進化モデルの予測と観測された赤色特巨星におけるコアの回転速度低下の不一致を解消すること。
• CoRoTおよびKeplerミッションの観測されたモード振幅を用いて、角運動量輸送を定量化すること。
• 混合モードが観測された遅いコア回転速度を説明できるかどうかを特定すること。
• 混合モードが角運動量を再分配するのに有効になる進化段階を同定すること。

提案手法

• 論文Iで提示された変換されたEulerian平均（TEM）形式を改変し、平均角運動量およびエネルギー方程式における波のフラックスをモデル化した。
• 波場を高密度放射性領域で記述するために、漸近的・準断熱的・ゆっくり回転する近似を用いた。
• CoRoTおよびKeplerの観測された周波数間隔および回転分裂に基づいて、混合モードの振幅をモデル化した。
• 平均角運動量方程式の波の運動量フラックス項（式18）を用いて、角運動量フラックスを計算した。
• 混合モードによる角運動量輸送の時定数と星の収縮時定数（式19）を比較した。
• 3つの進化段階（準巨星：M0、初期赤色特巨星：M1、進化した赤色特巨星：M2）における輸送効率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合モードは、進化した低質量星のコアから十分な角運動量を抽出できるか、観測されたコアの回転速度低下を説明できるか？
• RQ2 混合モードが非効率から効率的な角運動量輸送に転じる進化段階はいつか？
• RQ3 混合モードによる角運動量輸送の効率は、半径および進化段階によってどのように変化するか？
• RQ4 混合モードによる角運動量抽出は、コア収縮に起因する回転速度上昇を相殺するのに十分な強さか？
• RQ5 他の輸送機構（例：緯度循環、内部重力波）と比較して、混合モードは果たす役割は何か？

主な発見

• 混合モードは、準巨星および赤色特巨星の内部領域、特に進化した赤色特巨星の水素燃焼シェルで、角運動量を抽出する。
• 準巨星（M0）および初期赤色特巨星（M1）モデルでは、混合モードによる角運動量抽出はコア収縮に比べて無視できるほど小さい。
• 進化した赤色特巨星モデル（M2）では、混合モードがコア収縮を相殺するのに十分な角運動量を輸送でき、コアの回転速度低下を可能にする。
• 混合モードによる角運動量輸送の最大効率は、不安定性周波数がピークを示す水素燃焼シェルで発生する。
• 高い波の振幅があるにもかかわらず、星の非常に中心部では混合モードの効率が低下する。
• 結果から、混合モードは進化した赤色特巨星におけるコアの回転速度低下の妥当なメカニズムであるが、準巨星および初期赤色特巨星の回転速度低下を説明するには単独では不十分であると示唆される。