[論文レビュー] Asteroseismology of evolved stars to constrain the internal transport of angular momentum II. Test of a revised prescription for transport by the Tayler instability

P. Eggenberger, J. W. den Hartogh+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、星の進化段階におけるタイラー不安定性による角運動量（AM）輸送の見直しのための処方を、星震学的データを用いて検証する。モデルは流体力学的モデルと比較してコアの回転速度を低く予測し、準巨星の観測とより良好な一致を示すが、テストした全パラメータの組み合わせにおいて、準巨星と赤色巨星の両方のコア回転を同時に再現できないため、現在の処方では、星震学的制約の全範囲を説明するには不十分であることが示唆される。

ABSTRACT

Context: Asteroseismic measurements reveal that an unknown efficient angular momentum (AM) transport mechanism is needed for subgiant and red giant stars. A revised prescription for AM transport by the magnetic Tayler instability has been recently proposed as a possible candidate for such a missing mechanism. Results: The revised prescription for the transport by the Tayler instability leads to low core rotation rates after the main sequence that are in better global agreement with asteroseismic measurements than those predicted by models with purely hydrodynamic processes or with the original Tayler-Spruit dynamo. A detailed comparison with asteroseismic data shows that the rotational properties of at most two of the six subgiants can be correctly reproduced by models accounting for this revised magnetic transport process. This result is obtained independently of the value adopted for the calibration parameter in this prescription. We also find that this transport by the Tayler instability faces difficulties in simultaneously reproducing asteroseismic measurements available for subgiant and red giant stars. The low values of the calibration parameter needed to correctly reproduce the rotational properties of two of the six subgiants lead to core rotation rates during the red giant phase that are too high. Inversely, the higher values of this parameter needed to reproduce the core rotation rates of red giants lead to a very low degree of radial differential rotation before the red giant phase, which is in contradiction with the internal rotation of subgiant stars. Conclusions: In its present form, the revised prescription for the transport by the Tayler instability does not provide a complete solution to the missing AM transport revealed by asteroseismology of evolved stars.

研究の動機と目的

• 見直しの処方によるタイラー不安定性による角運動量（AM）輸送が、進化した星における内部回転の星震学的制約を説明できるかどうかを検証すること。
• モデルが準巨星および赤色巨星における観測されたコア回転速度と表面回転速度を再現できるかどうかを評価すること。
• 見直しの磁気輸送メカニズムが、準巨星段階におけるAM輸送効率の低下と、その後の赤色巨星分岐段階における増加を観測事実に適合させられるかどうかを検討すること。
• 異なる星の進化コード（GenevaとMESA）における結果の頑健性を評価すること。
• 現在のタイラー不安定性メカニズムの処方における物理的限界を特定すること。

提案手法

• Geneva星の進化コードを用いて、見直しのタイラー不安定性輸送処方を組み込んだ星の進化モデルを計算した。
• 次元なしのキャリブレーションパラメータαに依存する見直しの輸送処方を適用し、活性化には最小限の半径方向の速度勾配が必要である。
• 混合モードのモデル予測回転分裂を、6つの準巨星および赤色巨星からの星震学的測定値と比較した。
• 数値的手法および入力物理の違いを考慮して結果を検証するため、MESAコードでもモデルを再計算して一貫性を確認した。
• 自由パラメータであるキャリブレーションパラメータαを広い範囲で変化させ、結果への感度をテストした。
• 準巨星から赤色巨星への遷移に注目し、コアおよび表面回転速度の進化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 見直しのタイラー不安定性処方が、星震学的に測定されたように、準巨星における観測された低コア回転速度を再現できるか？
• RQ2 見直しの磁気輸送メカニズムが、同時に準巨星および赤色巨星における観測されたコア回転速度を再現できるか？
• RQ3 キャリブレーションパラメータαが、異なる進化段階における星震学的制約へのモデルの適合度にどのように影響するか？
• RQ4 準巨星段階におけるAM輸送効率の低下が観測と整合しているか？
• RQ5 赤色巨星段階以前に強い半径方向の速度勾配が予測されるが、これは観測された準巨星の回転プロファイルと矛盾するか？

主な発見

• 見直しのタイラー不安定性処方が、純粋な流体力学的モデルと比較して、準巨星におけるコア回転速度を顕著に低く予測し、星震学的測定値とより良好な全体的な整合性を示す。
• αのキャリブレーションパラメータにかかわらず、研究対象の6つの準巨星のうち、最大でも2つしか、その回転特性を正確に再現できるモデルがない。
• 準巨星データに適合させるために必要なαの低値は、赤色巨星段階におけるコア回転速度が高すぎることをもたらし、観測と矛盾する。
• 赤色巨星コア回転を再現するために必要なαの高値は、赤色巨星段階以前に十分な半径方向の速度勾配が得られず、準巨星の回転プロファイルに対する星震学的制約と矛盾する。
• この不一致は、見直しのメカニズムが赤色巨星段階においてAM輸送効率が著しく低下すると予測するためであり、これを補うために進化の初期段階で過剰に効率の高い輸送が予測される必要がある。
• MESAコードで計算したモデルでも同様の不整合が得られ、異なる星の進化コード間で結果が一貫していることから、問題は物理的処方自体に内在しており、モデルの外生的要因に起因しないことが確認された。