[論文レビュー] Magnetic Inhibition of Convection and the Fundamental Properties of Low-Mass Stars. III. A Consistent 10 Myr Age for the Upper Scorpius OB Association

Gregory A. Feiden|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、磁気的対流抑制が、上スクライピウスのような若い星団で、より低温の星がより若いように見えるという長年の年齢差を解消することを提案する。表面磁場が事前に推定された約2.5 kGの磁気的星間進化モデルを用いることで、スペクトル型AからMにわたり一貫した10 Myrの年齢が得られ、日食連星からの質量-半径関係とHertzsprung-Russell図の制約が一致する。

ABSTRACT

When determining absolute ages of identifiably young stellar populations, results strongly depend on which stars are studied. Cooler (K, M) stars typically yield ages that are systematically younger than warmer (A, F, G) stars by a factor of two. I explore the possibility that these age discrepancies are the result of magnetic inhibition of convection in cool young stars by using magnetic stellar evolution isochrones to determine the age of the Upper Scorpius subgroup of the Scorpius-Centaurus OB Association. A median age of 10 Myr consistent across spectral types A through M is found, except for a subset of F-type stars that appear significantly older. Agreement is shown for ages derived from the Hertzsprung-Russell diagram and from the empirical mass-radius relationship defined by eclipsing multiple-star systems. Surface magnetic field strengths required to produce agreement are of order 2.5 kG and are predicted from a priori estimates of equipartition values. A region in the HR diagram is identified that plausibly connects stars whose structures are weakly influenced by the presence of magnetic fields with those whose structures are strongly influenced by magnetic fields. The models suggest this region is characterized by stars with rapidly thinning outer convective envelopes where the radiative core mass is greater than 75% of the total stellar mass. Furthermore, depletion of lithium predicted from magnetic models appears in better agreement with observed lithium equivalent widths than predictions from non-magnetic models. These results suggest that magnetic inhibition of convection plays an important role in the early evolution of low-mass stars and that it may be responsible for noted age discrepancies in young stellar populations.

研究の動機と目的

• 若い星団における持続的な年齢差を解決する。特に、K型およびM型星がA型およびF型星よりも2倍若いように見えること。
• 低質量星における磁気的対流抑制が星間進化モデルを歪め、年齢推定をバイアスするかどうかを調査する。
• 上スクライピウスにおける日食連星系の観測的制約を用いて、磁気的星間進化モデルの妥当性を検証する。
• Hertzsprung-Russell図と実験的質量-半径関係の両方から得られる年齢推定値の矛盾を解消する。
• リチウムの消失パターンを観測と比較することで、磁気的モデルの予測能力を評価する。

提案手法

• 磁気的対流抑制を含む磁気的星間進化等温線を適用し、表面磁場の等分配推定値（約2.5 kG）で補正する。
• Kepler/K2キャンペーン2の観測光曲線を用いて、上スクライピウスの日食連星系の正確な質量と半径を導出する。
• モデル予測の等温線を観測されたHR図の位置と質量-半径関係と比較し、一貫した年齢を推定する。
• リチウム等価幅の観測を組み込み、若い低質量星におけるリチウム消失のモデル予測を検証する。
• 太陽金属量の磁気的星間モデルのグリッドを用いて、上スクライピウスに存在する全質量範囲の星の年齢推定値を計算する。
• Pecautら（2012）の独立した年齢推定（11±3 Myr）と比較することで、結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的対流抑制は、若い星団における低温星と高温星の間の系統的年齢差を説明できるか？
• RQ2 磁気的星間進化モデルは、Hertzsprung-Russell図から得られる年齢推定値と、日食連星の実験的質量-半径関係から得られる年齢推定値を一致させることができるか？
• RQ3 上スクライピウスでスペクトル型A〜Mにわたり一貫した10 Myrの年齢を得るには、どの程度の表面磁場強度が必要か？
• RQ4 磁気的モデルは、低質量準主系列星における観測されたリチウムの消失パターンをどれほどよく再現するか？
• RQ5 星間進化モデルにおける磁気的効果を考慮した場合、上スクライピウスの10 Myrの年齢は頑健か？

主な発見

• 磁気的対流抑制を星間モデルに組み込むことで、上スクライピウスのスペクトル型A〜Mの星にわたり一貫した10 Myrの年齢が得られた。
• HR図と質量-半径関係の年齢推定値を一致させるには、表面磁場が約2.5 kGである必要があり、事前に推定された等分配値と整合的である。
• HR図と質量-半径関係の年齢推定値の差が解消された：非磁気的モデルではK/M型星は約5 Myr、日食連星は約8 Myrと推定されるが、磁気的モデルでは両者とも約10 Myrとなる。
• 磁気的モデルは、非磁気的モデルよりも観測された低質量星のリチウム等価幅をよく再現しており、磁気的対流抑制がリチウム消失に寄与していることを支持する。
• HR図に、星が弱い磁場から強い磁場の影響を受ける領域が明確に特定され、これは全質量の75％以上を占める放射層と薄くなった対流包層を持つ星に対応する。
• 非磁気的モデルを若い星に適用すると、星の質量が約30％、巨大惑星/褐色矮星の質量が約35％系統的に低く推定される。これは年齢バイアスに起因する。