[論文レビュー] Disentangling discrepancies between stellar evolution theory and sub-solar mass stars. The influence of the mixing length parameter for the UV Psc binary

E. Lastennet, J. Fernandes+2 more|ArXiv.org|Jul 20, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 32被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、星団のUV Psc連星系における長年の年齢差（11 Gyr）を、星彩発展モデルにおける対流長さパラメータ（αMLT）の調整によって解消した。CESAMコードを用いて、2つの星に対してそれぞれ異なるαMLT値（0.95と0.65）を採用し、共通の金属量（Z = 0.012）とヘリウム含有量（Y = 0.31）とすることで、観測された性質が整合し、年齢差が1%以内に収まる共時的年齢が得られた。これは、モデルにおける太陽系の普遍的αMLT値の仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Serious discrepancies have recently been observed between predictions of stellar evolution models in the 0.7-1.1 M_sun mass range and accurately measured properties of binary stars with components in this mass range. We study one of these objects, the eclipsing binary UV Piscium, which is particularly interesting because Popper (1997) derived age estimates for each component which differed by more than a factor of two. In an attempt to solve this significant discrepancy (a difference in age of 11 Gyr), we compute a large grid of stellar evolution models with the CESAM code for each component. By fixing the masses to their accurately determined values (relative error smaller than 1% for both stars), we consider a wide range of possible metallicities Z (0.01 to 0.05), and Helium content Y (0.25 to 0.34) uncorrelated to Z. In addition, the mixing length parameter alpha_MLT is left as another free parameter. We obtain a best fit in the T_eff-radius diagram for a common chemical composition (Z, Y)=(0.012, 0.31), but a different MLT parameter alpha_MLT_A = 0.95+-0.12(statistical)+0.30(systematic) and alpha_MLT_B = 0.65+-0.07(stat)+0.10(syst). The apparent age discrepancy found by Popper (1997) disappears with this solution, the components being coeval to within 1%. This suggests that fixing alpha_MLT to its solar value (~1.6), a common hypothesis assumed in most stellar evolutionary models, may not be correct. Secondly, since alpha_MLT is smaller for the less massive component, this suggests that the MLT parameter may decrease with stellar mass, showing yet another shortcoming of the mixing length theory to explain stellar convection. This trend needs further confirmation with other binary stars with accurate data.

研究の動機と目的

• UV Psc連星系におけるポッパー（1997）が報告した11 Gyrの顕著な年齢差を解消すること。
• 星彩発展モデルにおいて標準的に採用されている固定された太陽系の対流長さパラメータ（αMLT ≈ 1.6）が、太陽質量未満の星に対して妥当かどうかを検証すること。
• 0.7–1.1 M⊙の質量範囲における理論と観測の乖離が、化学組成や年齢の誤差ではなく、誤ったαMLT値に起因するのかを調査すること。
• αMLTが星の質量に応じて変化するかどうかを特定し、対流の長さ理論における潜在的な欠陥を示唆すること。

提案手法

• UV Psc連星の両星に対して、CESAMコードを用いて大規模な星彩発展モデルのグリッドを計算した。
• 他のパラメータの影響を分離するために、質量は正確に決定された値（誤差 < 1%）に固定した。
• 金属量（Z = 0.01 から 0.05）とヘリウム含有量（Y = 0.25 から 0.34）の広い範囲を探索し、Zとは相関させなかった。
• 各星に対してαMLTを自由パラメータとして扱い、独立した値をフィッティング可能とした。
• モデルの適合度は、T_eff–半径図において評価され、最適なパラメータの組み合わせを特定した。
• αMLTにおける系統的および統計的不確実性を定量化し、結果の妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV Psc連星の観測された11 Gyrの年齢差は、普遍的な太陽系αMLT値を仮定する代わりに、αMLTを個々の成分ごとに調整することで解消可能か？
• RQ2 UV Psc連星の2つの成分間で必要なαMLT値に顕著な差が生じるか？これは質量依存性を示唆するか？
• RQ3 太陽質量未満の星における理論と観測の乖離は、主にαMLT値の誤りに起因するのか、それとも質量、半径、効果的温度の誤差に起因するのか？
• RQ4 UV Pscにおけるヘリウム含有量の変化率（ΔY/ΔZ）は何か？また、標準的な宇宙論的期待値と比較するとどうなるか？
• RQ5 星の質量が減少するに従いαMLTが減少するという観測された傾向は、対流の長さ理論における根本的な欠陥を示唆するか？

主な発見

• UV Pscの最良適合モデルでは、αMLT,A = 0.95 ± 0.12（統計）+ 0.30（系統）（より質量の大きな星）およびαMLT,B = 0.65 ± 0.07（統計）+ 0.10（系統）（より質量の小さい星）を採用することで、1%以内の共時的年齢が達成された。
• ポッパー（1997）が報告した11 Gyrの年齢差は、αMLTを各成分ごとに変化可能とすることで完全に解消された。これは、太陽に校正された値1.6が普遍的に有効ではないことを示している。
• αMLTの差（ΔαMLT = 0.3）は統計的に有意であり、温度校正の変更や拡散効果の組み込みに対しても頑健である。
• 最良適合の化学組成はZ = 0.012およびY = 0.31であり、導出されたΔY/ΔZ ≈ 6（ポッパーのT_effを使用）または4（アロンソらのT_effを使用）であり、太陽の値約1.9よりも顕著に高い。
• 結果から、αMLTが星の質量が減少するに従い減少する可能性があることが示唆され、対流の長さ理論の星彩対流モデリングにおける潜在的な限界を示唆する。
• 本研究は、T_effの独立的高精度決定と、他の良好に検出された連星系のさらなる観測的検証を要請しており、質量依存的αMLT傾向の確認を促している。