[論文レビュー] Chemical mixing in low mass stars: I. Rotation against atomic diffusion including radiative accelerations

Morgan Deal, M. J. Goupil+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、星の進化モデルを用いて、低質量星における原子拡散（放射加速度を含む）と回転に起因する混合の間の競合を調査した。回転は1.3 M⊙未満の星では、原子拡散による過剰な表面組成変動を抑制するが、1.44 M⊙を超えると、回転が強くない限り原子拡散が支配的となり、観測されない化学的特異性が生じる。星のパラメータ推定において両者を無視すると、F型星では年齢に最大25%、質量に5%、半径に2.5%の誤差が生じる。

ABSTRACT

When modelling stars with masses larger than 1.2Msun with no observed chemical peculiarity, atomic diffusion is often neglected because, on its own, it causes unrealistic surface abundances compared with those observed. The reality is that atomic diffusion is in competition with other transport processes. The purpose of this study is to quantify the opposite or conjugated effects of atomic diffusion and rotationally induced mixing in stellar models of low mass stars. Our second goal is to estimate the impact of neglecting both rotational mixing and atomic diffusion in stellar parameter inferences for stars with masses larger than 1.3Msun. Using the AIMS code, we infer the masses and ages of a set of representative artificial stars for which models were computed with the CESTAM evolution code, taking into account rotationally induced mixing and atomic diffusion, including radiative accelerations. We show that for masses lower than 1.3Msun, rotation dominates the transport of chemical elements, and strongly reduces the effect of atomic diffusion, with net surface abundance modifications similar to solar ones. At larger mass, atomic diffusion and rotation are competing equally. Above 1.44Msun, atomic diffusion dominates in stellar models with initial rotation smaller than 80km.s-1 producing a chemical peculiarity which is not observed in Kepler-legacy stars. This indicates that a transport process of chemical elements is missing. Importantly, neglecting rotation and atomic diffusion (including radiative accelerations) in the models, when inferring the parameters of F-type stars, may lead to errors of 5%, 2.5% and 25% respectively for stellar masses, radii and ages. Atomic diffusion (including radiative accelerations) and rotational mixing should be taken into account in stellar models in order to determine accurate stellar parameters.

研究の動機と目的

• 原子拡散（放射加速度を含む）と回転に起因する混合の相互作用を低質量星において定量的に評価すること。
• F型星において、回転に起因する混合が原子拡散による強い表面組成変動を防げるかどうかを評価すること。
• 1.3 M⊙を超える星の星のパラメータ推定において、原子拡散と回転混合の両方を無視した場合の影響を評価すること。
• Kepler星の観測とモデルを一致させるために、原子拡散と回転に加えて追加の輸送過程が必須であるかどうかを特定すること。

提案手法

• 星の進化モデルは、回転に起因する混合と原子拡散（放射加速度を含む）を含むCESTAM進化コードを用いて計算した。
• これらのモデルに基づいて、既知の質量、年齢、表面組成を持つ人工星を生成した。
• ASTEROSEISMICと古典的制約から星のパラメータを回復するために、AIMS星のパラメータ推定コードを用い、両者を無視したモデルグリッドを使用した。
• 推定値と人工星の真値を比較することで、パラメータ回復の誤差を定量化した。
• 太陽の金属量を想定し、表面的および均一な回転プロファイルの両方について別々のテストを実施した。
• 異なる仮定の下での結果を比較することで、妥当性と最適化手法の選択が及ぼす影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転は低質量星の表面組成に及ぼす原子拡散の影響をどのように軽減するか？
• RQ2 原子拡散と回転の併存効果が、F型星の観測された表面組成をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 モデルグリッドで原子拡散と回転混合の両方を無視した場合、星のパラメータ推定にどのような影響が生じるか？
• RQ4 Kepler星の化学的特異性の欠如は、原子拡散と回転に加えて追加の輸送過程が存在することを示唆するか？
• RQ5 回転の仮定（表面的 vs. 均一）が、原子拡散と混合の競合にどのように影響するか？

主な発見

• 1.3 M⊙未満の星では、回転が原子拡散を上回り、太陽と同程度の表面組成変化をもたらす。
• 1.44 M⊙を超える星で初期回転速度が80 km s⁻¹未満の場合、原子拡散が支配的となり、観測されない化学的特異性が生じる。
• 星のパラメータ推定において原子拡散と回転混合の両方を無視すると、F型星では質量に約5%、半径に2.5%、年齢に最大25%の誤差が生じる。
• 放射加速度は表面組成に顕著な影響を及ぼし（最大0.1 dex）、特に1.3–1.4 M⊙の範囲では正確なパラメータ推定に不可欠である。
• 表面的回転ではなく均一な回転を仮定すると、原子拡散の影響が強まり、1.3 M⊙でも一貫性のない表面組成が生じる。
• 結果から、観測とモデルを一致させるために、追加の化学的混合過程と回転混合の再考が必要であることが示唆され、特に1.3 M⊙を超える星に対して顕著である。