[論文レビュー] Differential rotation in rapidly rotating early-type stars. I. Motivations for combined spectroscopic and interferometric studies

J. Zorec, Y. Frémat+8 more|Americanae (AECID Library)|Dec 8, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 100被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、観測可能な変形とスペクトル線プロファイルを、基礎的な回転則に結びつけるために、エントロピーおよび回転力学の解析的モデルを用いて、急速に回転する早期型星の表面における緯度方向の差動回転を研究する、分光法と干渉計法を組み合わせた手法を提案する。本研究では、分光法が差動回転パラメータα（δα ≤ 0.15）および傾きi（δi ≤ 5°）を制約可能であり、干渉計法が赤道半径と極半径の比を3%以内の精度で測定可能であることを示しており、OB星における回転幾何学および表面動力学の堅牢で独立した推定が可能である。

ABSTRACT

Since the external regions of the envelopes of rapidly rotating early-type stars are unstable to convection, a coupling may exist between the convection and the internal rotation. We explore what can be learned from spectroscopic and interferometric observations about the properties of the rotation law in the external layers of these objects. Using simple relations between the entropy and specific rotational quantities, some of which are found to be efficient at accounting for the solar differential rotation in the convective region, we derived analytical solutions that represent possible differential rotations in the envelope of early-type stars. A surface latitudinal differential rotation may not only be an external imprint of the inner rotation, but induces changes in the stellar geometry, the gravitational darkening, the aspect of spectral line profiles, and the emitted spectral energy distribution. By studying the equation of the surface of stars with non-conservative rotation laws, we conclude that objects undergo geometrical deformations that are a function of the latitudinal differential rotation able to be scrutinized both spectroscopically and by interferometry. The combination of Fourier analysis of spectral lines with model atmospheres provides independent estimates of the surface latitudinal differential rotation and the inclination angle. Models of stars at different evolutionary stages rotating with internal conservative rotation laws were calculated to show that the Roche approximation can be safely used to account for the gravitational potential. The surface temperature gradient in rapid rotators induce an acceleration to the surface angular velocity. A non-zero differential rotation parameter may indicate that the rotation is neither rigid nor shellular underneath the stellar surface.

研究の動機と目的

• 急速に回転する早期型星の表面幾何学および観測可能な性質に及ぼす内部差動回転の痕跡を調査すること。
• 分光法と干渉計法の併用データを用いて、表面差動回転パラメータおよび星の傾きを推定する可能性を評価すること。
• 差動回転星における重力ポテンシャルのモデル化に、ローチェ近似がどの程度妥当であるかを評価すること。
• 表面温度勾配および回転に起因する変形がスペクトルエネルギー分布および線プロファイルに与える影響を検討すること。
• モデル大気と組み合わせたスペクトル線のフーリエ解析を用いて、回転則パラメータを推定するフレームワークを確立すること。

提案手法

• 特定角運動量、二乗角速度、運動エネルギーの間のエントロピーに基づく関係を用いて、星の表面層における差動回転の解析的解を導出する。
• 表面緯度方向の回転勾配をモデル化するために、単一の差動回転パラメータαを用いたモーラー公式を適用する。
• 回転星における重力ポテンシャルをモデル化するためにローチェ近似を用い、進化段階にわたってその妥当性を検証する。
• 分光的データからαおよびiを推定するために、スペクトル線プロファイルのフーリエ解析とモデル大気を組み合わせる。
• 干渉計法によるモデリングを実施し、星の傾きが既知の場合に、赤道半径と極半径の比（Re/Rp）を3%未満の精度で決定する。
• ローチェ近似の妥当性を検証するため、保存的剛体回転および差動回転の簡略化された星モデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フーリエ変換された線プロファイルの分光的解析は、差動回転パラメータαおよび傾き角iを信頼性高く推定できるか？
• RQ2 表面差動回転および重力減光が、観測される星の幾何学的形状およびスペクトルエネルギー分布にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 差動回転する早期型星の重力ポテンシャルのモデル化に、ローチェ近似は十分に正確か？
• RQ4 急速に回転する星における温度勾配は、表面角速度プロファイルにどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 分光的データと併用した干渉計測定により、星の変形を独立してαおよびiを制約できるか？

主な発見

• スペクトル線プロファイルのフーリエ分解を用いた分光的解析により、差動回転パラメータαの不確実性δα ≤ 0.15、傾き角iの不確実性δi ≤ 5°で推定可能である。
• 分光法で得た傾き角が既知の場合、干渉計法による赤道半径と極半径の比Re/Rpの測定精度は3%未満に達する。
• ほとんどの急速に回転する早期型星において、ローチェ近似は重力ポテンシャルのモデル化に妥当であり、極めて遠心力で歪められた物体を除いては問題ない。
• 高速回転星における表面温度勾配は、表面角速度に正の勾配（∂Ω/∂θ > 0）を引き起こす可能性があり、表面近傍での非一様な回転を示唆する。
• 差動回転は測定可能な幾何学的変形および重力減光を引き起こし、分光法と干渉計法の併用観測で検出可能である。
• 内部回転則の深さ依存性をさらに制約するには、非軸対称振動のデータが必要であり、分光法と干渉計法だけでは内部回転則を解明できない。