[論文レビュー] Populations of rotating stars. - I. Models from 1.7 to 15 Msun at Z = 0.014, 0.006, and 0.002 with {\Omega}/{\Omega}crit between 0 and 1

C. Georgy, Sylvia Ekström+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用数 124

ひとこと要約

本論文は、金属量 Z = 0.014、0.006、0.002 の 1.7–15 M⊙ の星に対して、臨界速度の 95% までに達する初期回転速度を有する、270 個の回転星進化モデルの包括的なグリッドを提示する。臨界回転時の角運動量損失および赤道領域からの質量損失を追跡できるように改良されたジェネヴァ星進化コードを用いて、高速回転する低質量星（1.7 M⊙）は小さな対流コアを発達させ、金属量が低い星（Z = 0.002）は中間主系列期に強い窒素増加（最大 0.4 dex）を示し、回転混合が効率的であるため、高回転状態では炭素および酸素の帰還量が増加することが明らかになった。

ABSTRACT

B-type stars are known to rotate at various velocities, including very fast rotators near the critical velocity as the Be stars. In this paper, we provide stellar models covering the mass range between 1.7 to 15 Msun, which includes the typical mass of known Be stars, at Z = 0.014, 0.006, and 0.002 and for an extended range of initial velocities on the zero-age main sequence. We used the Geneva stellar-evolution code, including the effects of shellular rotation, with a numerical treatment that has been improved so the code can precisely track the variation in the angular momentum content of the star as it changes under the influence of radiative winds and/or mechanical mass loss. We discuss the impact of the initial rotation rate on the tracks in the Hertzsprung-Russell diagram, the main-sequence (MS) lifetimes, the evolution of the surface rotation and abundances, as well as on the ejected masses of various isotopes. Among the new results obtained from the present grid we find that 1) fast-rotating stars with initial masses around 1.7 Msun present at the beginning of the core hydrogen-burning phase quite small convective cores with respect to their slowly rotating counterparts. This fact may be interesting to keep in mind in the framework of the asteroseismic studies of such stars. 2) The contrast between the core and surface angular velocity is higher in slower rotating stars. The values presently obtained are in agreement with the very few values obtained for B-type stars from asteroseismology. 3) At Z = 0.002, the stars in the mass range of 1.7 to 3 Msun with a mean velocity on the MS of the order of 150 km/s show N/H enhancement superior to 0.2 dex at mid-MS, and superior to 0.4 dex at the end of the MS phase. At solar metallicity the corresponding values are below 0.2 dex at any time in the MS.

研究の動機と目的

• B型星およびBe星の質量範囲をカバーする、詳細かつ高分解能の回転星モデルグリッドを提供すること。
• 臨界速度に近い回転速度にある星における角運動量損失および赤道領域からの質量損失の追跡を改善すること。
• 初期回転速度および金属量が星進化、表面組成、質量噴出に与える影響を調査すること。
• 現実的な初期回転速度および金属量分布を用いた合成的集団合成を可能にすること。

提案手法

• 回転の球面対称性を仮定したジェネヴァ星進化コードを用い、角運動量の進化に改善された数値的取り扱いを適用した。
• 特に臨界回転状態の期間中に、放射的および力学的質量損失の非対称性を組み込んだ。
• 主系列期を通じて、表面速度、効果的温度、および化学組成（N、C、O）の進化を追跡した。
• 臨界回転状態に達する星の赤道領域からの質量損失率を、修正された風モデルを用いて計算した。
• 10 個の質量と 9 個の初期回転速度（Ω/Ωcrit が 0 から 0.95）を、3 種の金属量（Z = 0.014、0.006、0.002）で組み合わせたモデルをシミュレートした。
• 非回転星と高速回転星との間で、H、He、C、N、O、およびCOコア質量の噴出質量を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期回転速度が、核水素燃焼の初期段階における低質量（1.7 M⊙）星の対流コアの大きさにどのように影響するか？
• RQ2 金属量が、特に中間および終焉主系列期における回転星の窒素表面増加に与える影響は何か？
• RQ3 回転混合が、異なる金属量および回転速度における炭素および酸素の帰還量にどのように影響するか？
• RQ4 臨界回転状態が、赤道領域からの質量損失および非球形の質量噴出をどの程度増加させるか？
• RQ5 後主系列期における青ループの発現は、回転速度および金属量にどのように依存するか？

主な発見

• 初期回転速度が速い 1.7 M⊙ 星は、ゆっくり回転する星と比較して、核水素燃焼の開始段階で顕著に小さな対流コアを形成する。これは、星震動学的モデリングにおいて重要である。
• 角速度のコアと表面との差が、遅く回転する星でより顕著であり、計算値はB型星の星震動学的測定と整合的である。
• Z = 0.002 の場合、主系列期の平均表面速度が約 150 km·s⁻¹ の星は、主系列期の終焉に達するまでに窒素/水素比（N/H）が 0.4 dex を超える増加を示すが、太陽系金属量では、そのような増加は 0.2 dex 未満にとどまる。
• 回転混合により、SMC金属量モデル（Z = 0.002）において、炭素の噴出質量が最大で 2.15 倍、酸素の噴出質量が最大で 3.36 倍に増加する。
• 初期回転速度が臨界速度の 95% に達する場合、SMC金属量モデル（Z = 0.002）ではCOコア質量が 43% 増加し、LMCおよび銀河系モデルではそれぞれ 27–25% 増加する。
• Z = 0.002 の場合、初期回転速度 ωini > 0.60 のすべてのモデルで、中間主系列期に表面窒素増加が観測可能であるが、太陽系金属量では、そのような増加は最も高速回転する星（ωini > 0.8）でのみ 1.7 M⊙ モデルで検出可能である。