[論文レビュー] Evolutionary models for solar metallicity low-mass stars: mass-magnitude relationships and color-magnitude diagrams

I. Baraffe, G. Chabrier+2 more|ArXiv.org|May 2, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 125

ひとこと要約

本論文では、高度な非灰色大気モデルと現代の内部物理学を用いて、太陽金属量の低質量星（0.075–1 M☉）の更新された進化モデルを提示する。モデルは近赤外領域で観測された色mag図と優れた一致を示すが、光学的（V-I）色には持続的な不一致を示しており、T_eff < 3700 Kで予測される色が0.5 mag青すぎる。これは、欠落した光学率源や粒子形成効果による可能性が高い。

ABSTRACT

We present evolutionary models for low mass stars from 0.075 to 1 $\msol$ for solar-type metallicities [M/H]= 0 and -0.5. The calculations include the most recent interior physics and the latest generation of non-grey atmosphere models. We provide mass-age-color-magnitude relationships for both metallicities. The mass-M$_V$ and mass-M$_K$ relations are in excellent agreement with the empirical relations derived observationally. The theoretical color-magnitude diagrams are compared with the sequences of globular clusters (47 Tucanae) and open clusters (NGC2420 and NGC2477) observed with the Hubble Space Telescope. Comparison is also made with field star sequences in $M_V$-$(V-I)$, $M_K$-$(I-K)$ and $M_K$-$(J-K)$ diagrams. These comparisons show that the most recent improvements performed in low-mass star atmosphere models yield now reliable stellar models in the near-infrared. These models can be used for metallicity, mass, temperature and luminosity calibrations. Uncertainties still remain, however, in the optical spectral region below $T_{eff} \sim 3700K$, where predicted (V-I) colors are too blue by 0.5 mag for a given magnitude. The possible origins for such a discrepancy, most likely a missing source of opacity in the optical and the onset of grain formation are examined in detail.

研究の動機と目的

• 太陽および近太陽金属量（−0.5 ≤ [M/H] ≤ 0）の低質量星の正確な進化モデルを開発すること。
• 冷却星における理論的および観測的光学色の持続的不一致、特にT_eff < 3700 Kにおける（V-I）バンドの不一致を解明すること。
• globular星団および開放星団の高精度ハッブル宇宙望遠鏡およびNICMOS観測とモデルを検証すること。
• 経験的ボロメトリック補正に依存せずに、一貫した内部-大気モデルから導かれる合成色および等級の信頼性を評価すること。
• 冷却星における色-温度関係に及ぼす大気光学率の残存不確実性とその影響を特定すること。

提案手法

• 太陽金属量の水素ヘリウム混合物に適したSCVH状態方程式を用い、更新された核反応率とOPAL光学率を組み込む。
• 最新の非灰色大気モデル（NextGen, AH98）を用い、H2O, TiO, VOの分子光学率およびH2からの衝突誘起吸収（CIA）を含む。
• 星の内部モデルと大気境界条件を自己無撞着に結合し、全バンドで一貫した有効温度、光度および等級を導出する計算を実施する。
• 47 Tucanae, NGC2420, NGC2477および場所星の観測シーケンスと比較するため、V, I, J, H, Kバンドの合成色mag図（CMD）を生成する。
• HSTおよび地上の近赤外調査から得られた経験的データと理論的質量-等級および質量-色関係を比較する。
• 分子光学率および凝縮（例：ダスト形成）の開始が、特に主系列の転換点および亜星界において近赤外フラックス再分配に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の太陽金属量の低質量星の進化モデルは、光学および近赤外領域の観測色mag図をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 T_eff < 3700 Kで観測と比較して理論的（V-I）色が0.5 mag青すぎるという系のずれの原因は何か？
• RQ3 分子バンドおよびH2のCIAを含む非灰色大気モデルは、以前のモデルと比較して近赤外観測との一致をどの程度改善するか？
• RQ4 大気光学率の不確実性および凝縮の開始（例：ダスト形成）が、光学および近赤外領域における合成色の信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 一貫した内部-大気モデルを用いることで、星のモデルで経験的ボロメトリック補正およびT_eff-色関係に依存することを回避できるか？

主な発見

• 理論的質量-M_Kおよび質量-M_V関係は、低質量星の観測から導かれた経験的関係と優れた一致を示す。
• 近赤外色mag図（M_K 対 (I-K) および (J-K)）は、若い開放星団（NGC2420, NGC2477）および場所星の観測シーケンスと高い精度で一致する。
• 主系列の底で観測される近赤外色の青色シフト（H2衝突誘起吸収に起因するとされる）は、モデルによってよく再現されている。
• T_eff < 3700 Kの星に対して、理論的（V-I）色は観測値と比較して0.5 mag青すぎる予測を示しており、光学的大気光学率に顕著な欠落があることを示唆している。
• 光学色の不一致は、未考慮の分子バンドやダスト形成の開始といった、光学率源の欠落によるものであり、内部物理学の誤りによるものではない可能性が高い。
• 本研究は、T_eff–M_bol 図における比較が、経験的色–T_effおよびボロメトリック補正関係に依存するため、本質的に信頼性が低いと確認し、直接的な色mag図および色-色図との比較を推奨する。