[論文レビュー] Lithium abundance and rotation of seismic solar analogues - Solar and stellar connection from Kepler and Hermes observations

P. G. Beck, J.-D. do Nascimento+14 more|Lirias (KU Leuven)|Feb 3, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 92被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、ケプラー太陽類縁星の地震学的解析と高分解能Hermes分光計測を用いて、18個の地震的太陽類縁星におけるリチウム含有量（A(Li)）と表面回転速度の関係を調査した。太陽より若い単一星では、A(Li)と回転周期の強い相関が確認され、測定されたA(Li)値は太陽に合わせてキャリブレーションされたモデルと良好に一致しており、太陽類縁星においても太陽に似た内部混合過程が一般的に成立していることが示された。

ABSTRACT

Lithium abundance A(Li) and surface rotation are good diagnostic tools to probe the internal mixing and angular momentum transfer in stars. We explore the relation between surface rotation, A(Li) and age in a sample of seismic solar-analogue (SA) stars and study their possible binary nature. We select a sample of 18 SA observed by the NASA Kepler satellite for an in-depth analysis. Their seismic properties and surface rotation are well constrained from previous studies. About 53 hours of high-resolution spectroscopy were obtained to derive fundamental parameters and A(Li). These values were combined and confronted with seismic masses, radii and ages, as well as surface rotation periods. We identify a total of 6 binary systems. A well-defined relation between A(Li) and rotation was obtained. With models constrained by the characterisation of the individual mode frequencies for single stars, we identify a sequence of three SA with similar mass (~1.1Mo) and stellar ages ranging between 1 to 9 Gyr. Within the realistic estimate of ~7% for the mass uncertainty, we find a good agreement between the measured A(Li) and the predicted A(Li) evolution from a grid of models calculated with the Toulouse-Geneva stellar evolution code, which includes rotational internal mixing, calibrated to reproduce solar chemical properties. We present A(Li) for a consistent spectroscopic survey of SA with a mass of 1.00+/-0.15Mo, and characterised through asteroseismology and surface rotation rates based on Kepler observations. The correlation between A(Li) and P_rot supports the gyrochronological concept for stars younger than the Sun. The consensus between measured A(Li) for solar analogues with model grids, calibrated onto the Sun's chemical properties suggests that these targets share the same internal physics. In this light, the solar Li and rotation rate appear to be normal for a star like the Sun.

研究の動機と目的

• 太陽類縁星におけるリチウム含有量、回転速度、年齢の相互作用を理解すること。
• 観測されたA(Li)と回転周期を用いて、太陽より若い星に対するギロクロノロジーの妥当性を検証すること。
• 太陽のリチウム含有量と回転速度が、星の進化モデルとの比較によって太陽型星の代表的特徴であるかどうかを評価すること。
• A(Li)-回転関係に歪みをもたらす可能性のある連星系を特定・除外すること。
• 一貫したサンプル内で独立して測定された地震的質量・半径・年齢および分光的A(Li)を用いて、モデル予測のA(Li)進化を検証すること。

提案手法

• 地震モード周波数解析により、質量・半径・年齢が良好に制約されたケプラーの18個の太陽類縁星を選定した。
• メルカトル望遠鏡に搭載されたHermes分光計を用いて、53時間にわたる高分解能分光測定を行い、効果的温度、金属量、表面重力、およびリチウム含有量（A(Li)）を導出した。
• 星 spots による光度変調を用いて、ケプラー光曲線から表面回転周期を測定した。
• 地震学的に決定された半径を用いて、回転周期を表面回転速度に変換し、モデル予測との比較を改善した。
• 太陽の化学的性質を再現するようにキャリブレーションされたToulouse-Geneva Evolution Code（TGEC）モデルの予測と、観測されたA(Li)値を比較した。このモデルには回転による内部混合を含む。
• 分光的データにおける径方向速度の変動を用いて連星系を同定し、主たるA(Li)-回転関係の分析から除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽類縁星において、リチウム含有量（A(Li)）と表面回転周期（P_rot）の間に測定可能な相関関係があるか？
• RQ2 独立して測定された質量・年齢を持つ星において、A(Li)進化のモデル予測が観測されたA(Li)値とどの程度一致するか？
• RQ3 連星がA(Li)-P_rot関係にどの程度歪みをもたらすか、かつ信頼性を持って除外できるか？
• RQ4 観測されたA(Li)とモデル予測との一致が、太陽の内部混合過程が太陽類縁星において代表的であるという仮説を支持するか？
• RQ5 A(Li)-P_rot相関が示すところによれば、太陽より若い星に対するギロクロノロジー関係は有効であるか？

主な発見

• P_rot < 26日である単一星において、A(Li)と回転周期（P_rot）の間には明確な線形相関が確認され、太陽より若い星に対するギロクロノロジーの妥当性が支持された。
• 径方向速度の変動により、6つの連星系が確認され、リチウム線領域における信号対雑音比は80～210であった。
• 質量が約1.1 M⊙で、個別周波数モデリングによる妥当な年齢が得られた3つの単一星（KIC 10644253, 7680114, 3656476）について、観測されたA(Li)値は7%の質量不確実性の範囲内でTGECモデルの予測と一致した。
• 太陽より低い金属量を示す太陽類縁星（KIC 6116048）についても、観測されたA(Li)とモデル予測の間に良好な一致が見られたが、回転周期（若年性を示唆）と地震的年齢（太陽より古い）の間に矛盾が認められた。
• 複数の独立した手法（観測されたA(Li)、地震的年齢・質量、モデル予測のA(Li)）の間で一致が得られたことから、太陽のリチウム含有量と回転速度は、その質量と年齢の星にとって標準的であることが示された。
• 本研究は、太陽におけるリチウム減少を支配する内部物理的プロセス、特に回転による内部混合が、太陽類縁星に対しても代表的であることを確認した。このことは、太陽の性質に合わせてキャリブレーションされたTGECコードによるモデル化と一致する。