[論文レビュー] Evidence for rotation-induced mixing in evolved intermediate mass stars

R. Smiljanić, Beatriz Leonor Silveira Barbuy+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、中質量星（5–20 M⊙）における星の回転と内部混合の強化を結びつける観測的証拠を提示する。19個の星の高分解能分光測定を用いて、特に vsini > 6 km s⁻¹ の赤超巨星において、星の質量と [N/C] 稜度比の間に顕著な相関が見つかり、標準の非回転モデルを超える化学的混合を引き起こす回転誘発混合機構（例：緯度循環とせん断乱流）が主要因であると支持する。

ABSTRACT

Many observational results seem to indicate more efficient mixing processes in intermediate mass stars (5-20 M$_{\odot}$) than the expected by the standard models. These processes are usually thought to be caused by stellar rotation. Our recent analysis of 19 evolved intermediate mass stars has found them to display different efficiencies of internal mixing. The comparison of these results, and others from the literature, with rotating and non-rotating stellar evolutionary models led us to find, for the first time, an important correlation between stellar mass and the [N/C] ratio; the kind of correlation expected to be produced by a rotation-induced mixing.

研究の動機と目的

• 標準の非回転星モデルの予測を超えて、進化した中質量星（5–20 M⊙）における内部混合プロセスの効率を調査すること。
• 星の回転が表面 CNO 稜度の観測された乖離（特に窒素の増加と炭素の減少）を説明できるかどうかを特定すること。
• 回転誘発混合（例：緯度循環やせん断乱流）が、質量と [N/C] 稜度比の間の測定可能な相関を生じるという仮説を検証すること。
• 初期回転（vsini を通じて）が主系列および赤色巨星段階で表面組成をどのように規定しているかを特定・定量化すること。
• 観測された [N/C] 稜度比と理論的予測値を異なる質量と進化段階で比較することで、回転星進化モデルに対する観測的制約を提供すること。

提案手法

• 19個の進化した中質量星に対して、チリのラ・シリャで運用されるESO 1.52 m望遠鏡を用いて、高分解能 FEROS 分光測定（R = 48,000、S/N > 200）を実施した。
• 大気パラメータ（Teff、log g、[Fe/H]）および CNO 稜度は、分光解析から導出され、表面組成が特定された。
• 星の質量と進化状態は、シュタルラー他（1992）の HR 図と進化軌道、およびメイネとモーダー（2000）のモデルを用いて推定された。
• [N/C] 稜度比は、星の質量と効果的温度の関数として計算され、特に赤超巨星段階（log Teff = 3.61–3.70）に注目した。
• 星は vsini に基づいてグループ化され、vsini > 6 km s⁻¹ の星についてのみ、[N/C] 対質量関係が個別に分析された。
• 非回転モデル（Schaller 他、1992）と回転モデル（Meynet & Maeder 2000）の両方の予測と観測された [N/C] 値を比較分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 進化した中質量星において、星の質量と [N/C] 稜度比の間に測定可能な相関が存在するか？
• RQ2 赤超巨星における観測された [N/C] 稜度比は、非回転星モデルの予測を上回っており、追加の混合プロセスを示唆しているか？
• RQ3 初期回転が速い星（vsini > 6 km s⁻¹）において、回転モデルの予測通り、[N/C] 稜度比が質量とともに増加するか？
• RQ4 観測された組成パターンは、緯度循環やせん断乱流といった回転誘発混合機構によって説明可能か？
• RQ5 特に 8 M⊙ よりも質量の大きな星、または質量に対して異常に高い [N/C] を示す星において、観測された混合効率と理論的回転モデルとの間に乖離が認められるか？

主な発見

• 19個の進化した中質量星のうち15個が、強化された内部混合の兆候を示しており、平均 [N/C] 稜度比は +0.95 dex であり、非回転モデルの予測値 +0.72 dex より顕著に高い。
• vsini > 6 km s⁻¹ の赤超巨星（log Teff = 3.61–3.70）において、[N/C] と星の質量の間に明確な相関が観測され、質量が大きいほど窒素がより豊富に蓄積されていることが示された。
• 一部の 5 M⊙ 星が、12 M⊙ 星に予想される水準の [N/C] 稜度比を示しており、標準モデルの予測を上回るより効率的な混合が起こっている可能性を示唆している。
• Meynet & Maeder（2000）の回転モデルは、非回転モデルよりも観測値とよく一致するが、最も質量の大きな星では依然として観測された [N/C] 値を完全に再現できていない。
• 観測された [N/C] 値の散らばりは、vsini > 6 km s⁻¹ の星が赤巨星分岐（RGB）に到達する割合が非常に高いことによるものであり、回転が混合効率の主因であると考えられる。
• 青ループが予想されない領域に完全に混合された 5 M⊙ 星が存在するという事実は、質量推定値、ループの広がり、または観測誤差に関する不確実性の可能性を示唆している。