[論文レビュー] Lithium-7 surface abundance in pre-MS stars. Testing theory against clusters and binary systems

E. Tognelli, S. Degl’Innocenti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 73被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、理論的不確実性をテストするために、更新された星の進化モデルを用いて、準主系列星（pre-MS）におけるリチウム-7表面濃度を調査した。準主系列期と主系列期の両方における混合長パラメータ（α）を変化させた結果、準主系列期の対流効率が低い（α_PMS = 1.0）と、若い星団および連星系における観測結果との一致が著しく向上することが判明した。これは、準主系列期の対流効率が主系列期よりも低い可能性を示唆している。

ABSTRACT

The disagreement between theoretical predictions and observations for surface lithium abundance in stars is a long-standing problem, which indicates that the adopted physical treatment is still lacking in some points. However, thanks to the recent improvements in both models and observations, it is interesting to analyse the situation to evaluate present uncertainties. We present a consistent and quantitative analysis of the theoretical uncertainties affecting surface lithium abundance in the current generation of models. By means of an up-to-date and well tested evolutionary code, FRANEC, theoretical errors on surface 7Li abundance predictions, during the pre-main sequence (pre-MS) and main sequence (MS) phases, are discussed in detail. Then, the predicted surface 7Li abundance was tested against observational data for five open clusters, namely Ic 2602, αPer, Blanco1, Pleiades, and Ngc 2516, and for four detached double-lined eclipsing binary systems. Stellar models for the aforementioned clusters were computed by adopting suitable chemical composition, age, and mixing length parameter for MS stars determined from the analysis of the colour-magnitude diagram of each cluster. We restricted our analysis to young clusters, to avoid additional uncertainty sources such as diffusion and/or radiative levitation efficiency. We confirm the disagreement, within present uncertainties, between theoretical predictions and 7Li observations for standard models. However, we notice that a satisfactory agreement with observations for 7Li abundance in both young open clusters and binary systems can be achieved if a lower convection efficiency is adopted during the pre-MS phase with respect to the MS one.

研究の動機と目的

• 準主系列星および主系列星における表面 7Li 濃度予測に影響を及ぼす理論的不確実性を評価すること。
• 若い開放星団および分離型食連星系からの観測データと、標準星の進化モデルを照合すること。
• 進化段階に応じて変化する混合長パラメータ（α）が、長年のリチウムの過剰消失の不一致を解消できるかどうかを検証すること。
• 準主系列期と主系列期における対流効率の違いが、7Li 表面濃度に与える影響を評価すること。
• 年齢、組成、質量がよく定義された系を分析することで、モデルの制約を強化すること。

提案手法

• 物理的入力（透過率、反応率、状態方程式）を更新した FRANEC 進化コードを用いて星のモデルを計算した。
• 5つの若い開放星団（Ic 2602, α Per, Blanco1, Pleiades, Ngc 2516）の観測された色-等級図に一致するように、主系列期の混合長パラメータ（α_MS）をキャリブレーションした。
• 準主系列期の 7Li 表面濃度予測に対する感度を検証するため、代替的な α_PMS 値（例：α_PMS = 1.0）を探索した。
• 4つの分離型双星系（ASAS J052821+0338.5, EK Cep, RXJ 0529.4+0041 A, V1174 Ori）におけるモデル予測と観測された 7Li 濃度を比較した。
• 初期組成、透過率、反応率、状態方程式の不確実性を評価することで、理論的誤差範囲を定量化した。
• HR 図と等年齢線フィッティングを用いて、準主系列星の観測データとモデル軌道の整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準主系列期に低い混合長パラメータを採用することで、理論的 7Li 表面濃度と観測結果との一致が向上するか？
• RQ2 透過率、反応率、状態方程式などの物理的入力の不確実性が、7Li 濃度予測にどのように影響を与えるか？
• RQ3 若い開放星団および準主系列連星系における観測された 7Li 濃度が、α_PMS の値をどの程度制約するか？
• RQ4 理論と観測の間の 7Li 濃度の不一致は、主に準主系列モデルにおける対流効率の誤った仮定に起因しているのか？
• RQ5 変化する対流効率（α_PMS ≠ α_MS）を採用することで、非標準的物理を仮定せずにリチウムの低下ダイップおよび準主系列期の過剰消失パターンを説明できるか？

主な発見

• 混合長パラメータを一定（α_PMS = α_MS ≈ 1.68）にした標準モデルでは、若い準主系列星における観測された 7Li 濃度を再現できない。
• 準主系列期に低い対流効率（α_PMS = 1.0）を採用することで、研究対象の5つの若い開放星団すべてにおいて、観測結果との一致が著しく向上した。
• α_PMS = 1.0 のモデルは、ASAS J052821+0338.5 および RXJ 0529.4+0041 A 連星系の準主系列星の観測された 7Li 表面濃度を再現しており、特にハイラッチ軌道付近で顕著である。
• EK Cep の二次的星では、低対流モデル（α_PMS = 1.0）が観測結果と完全に整合するが、大きな誤差範囲のため不確実性が残っている。
• RXJ 0529.4+0041 A では、リチウム濃度の観測不確実性（最大 0.5 dex）が高く、明確な結論は得られず、下限値しか得られていない。
• 結果から、準主系列期における対流効率が主系列期よりも低い可能性が示唆され、進化段階を跨ぐ一定の α の仮定に疑問が呈された。