[論文レビュー] Close binary evolution. III. Impact of tides, wind magnetic braking, and internal angular momentum transport

Hanfeng Song, G. Meynet+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、質量の大きな星を有する連星系において、潮流、風による磁気減速、および内部角運動量輸送がどのように相互作用するかを調査する。ジェネヴァ星進化コードを用いて、潮流による加速と磁気減速の競合の結果、星が安定した準同期的「平衡角速度」に収束することを示し、多くの場合、時間経過とともに表面回転速度が増加することを明らかにした。これは、古くから高速で回転し、磁場が強く、窒素が強化されている星を説明するメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Massive stars with solar metallicity lose important amounts of rotational angular momentum through their winds. When a magnetic field is present at the surface of a star, efficient angular momentum losses can still be achieved even when the mass-loss rate is very modest, at lower metallicities, or for lower-initial-mass stars. In a close binary system, the effect of wind magnetic braking also interacts with the influence of tides, resulting in a complex evolution of rotation. We study the interactions between the process of wind magnetic braking and tides in close binary systems. We discuss the evolution of a 10 M$_\odot$ star in a close binary system with a 7 M$_\odot$ companion using the Geneva stellar evolution code. The initial orbital period is 1.2 days. The 10 M$_\odot$ star has a surface magnetic field of 1 kG. Various initial rotations are considered. We use two different approaches for the internal angular momentum transport. In one of them, angular momentum is transported by shear and meridional currents. In the other, a strong internal magnetic field imposes nearly perfect solid-body rotation. The evolution of the primary is computed until the first mass-transfer episode occurs. The cases of different values for the magnetic fields and for various orbital periods and mass ratios are briefly discussed. We show that, independently of the initial rotation rate of the primary and the efficiency of the internal angular momentum transport, the surface rotation of the primary will converge, in a time that is short with respect to the main-sequence lifetime, towards a slowly evolving velocity that is different from the synchronization velocity. (abridged).

研究の動機と目的

• 近接連星系における潮汐力、風による磁気減速、内部角運動量輸送の相乗的相互作用を理解すること。
• 磁気減速の時間スケールに反して、古くから高速で回転する磁場を持つ質量の大きな星が観測されるというパズルを解明すること。
• 内部角運動量輸送メカニズム（せん断・緯度循環対比して剛体回転）が星の進化および表面組成に与える影響を調査すること。
• 近接連星系が、古くから表面磁場が強く、窒素が強化されている星を生成できるかどうかを特定すること。
• 質量-光度比および表面組成を観測的制約として用い、質量の大きな星における内部輸送物理を検証すること。

提案手法

• 10 M⊙の主星を有する1.2日周期の近接連星系（7 M⊙の伴星を伴う）をジェネヴァ星進化コードでシミュレーションした。
• 内部角運動量輸送モデルを2つ適用：1つはせん断および緯度循環を含み、もう1つは強い内部磁場により剛体回転を強制するもの。
• 主星に1 kGの表面磁場を設定し、風による磁気減速効果をモデル化した。
• 初期回転速度、軌道周期、質量比、磁場強度を変化させ、パラメータ空間を探索した。
• 最初の質量転送期まで進化を追跡し、表面速度、光度、窒素含有量の変化を分析した。
• Hertzsprung-Russell図における進化軌道および異なる輸送仮定下での表面組成パターンを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 潮汐力と風による磁気減速が、近接連星系における質量の大きな星の回転進化にどのように作用するか？
• RQ2 内部角運動量輸送メカニズム（非同期的回転対比して剛体回転）が表面組成パターンおよび光度-質量比に顕著な影響を与えるか？
• RQ3 観測された古くから高速で回転し、磁場を持つ質量の大きな星の集団は、磁気減速を伴う近接連星進化によって説明可能か？
• RQ4 近接連星系で達成される平衡回転状態の性質は何か？また、磁場強度および軌道周期に依存するか？
• RQ5 表面窒素含有量および質量-光度比が、内部角運動量および化学組成輸送にどの程度制約を加えるか？

主な発見

• 主星の表面回転速度は、数百万年以内に安定した準同期的平衡角速度に急速に収束し、常に軌道角速度未満となる。
• 質量損失または表面磁場強度が増加するほど、磁気減速による減速が強くなるため、回転速度と軌道速度の差が大きくなる。
• 剛体回転モデルでは、対流コア付近の混合が強化されるため、非同期的回転モデルに比べて光度-質量比が高くなる。
• より強い全体的混合が見られるにもかかわらず、剛体回転モデルでは非同期的回転モデルに比べて表面窒素の強化が小さい。これは外層におけるせん断駆動混合の差による。
• 窒素表面含有量は風による磁気減速よりも内部角運動量輸送に強く依存するため、輸送メカニズムの診断に重要な指標となる。
• 質量転送前の連星系における表面組成および質量-光度比の観測は、角運動量輸送の効率および未検出の伴星の存在を制約するのに役立つ。