[論文レビュー] Rotating Massive Main-Sequence Stars I: Grids of Evolutionary Models and Isochrones

I. Brott, S. E. de Mink+7 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Feb 2, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 51被引用数 403

ひとこと要約

本論文は、VLT-FLAMES調査データを用いて校正された回転する質量の大きな主系列星の進化モデルおよび等歳線の包括的なグリッドを提示している。低表面重力における観測された回転速度の低下を用いて、対流オーバーシュートを新たに校正する手法を導入し、回転混合効果を定量的に評価している。その結果、高速回転星は準化学的均一進化を示し、SMC や LMC の低金属量環境ですら、初期の銀河系レベルを超える表面窒素の増加を示していることが明らかになった。

ABSTRACT

We present a dense grid of evolutionary tracks and isochrones of rotating massive main-sequence stars. We provide three grids with different initial compositions tailored to compare with early OB stars in the Small and Large Magellanic Clouds and in the Galaxy. Each grid covers masses ranging from 5 to 60 Msun and initial rotation rates between 0 and about 600 km/s. To calibrate our models we used the results of the VLT-FLAMES Survey of Massive Stars. We determine the amount of convective overshooting by using the observed drop in rotation rates for stars with surface gravities log g < 3.2 to determine the width of the main sequence. We calibrate the efficiency of rotationally induced mixing using the nitrogen abundance determinations for B stars in the Large Magellanic cloud. We describe and provide evolutionary tracks and the evolution of the central and surface abundances. In particular, we discuss the occurrence of quasi-chemically homogeneous evolution, i.e. the severe effects of efficient mixing of the stellar interior found for the most massive fast rotators. We provide a detailed set of isochrones for rotating stars. Rotation as an initial parameter leads to a degeneracy between the age and the mass of massive main sequence stars if determined from its observed location in the Hertzsprung-Russell diagram. We show that the consideration of surface abundances can resolve this degeneracy.

研究の動機と目的

• 多様な金属量の範囲で回転する質量の大きな主系列星の高密度グリッドの進化モデルを開発すること。
• 表面重力logg < 3.2 のB星における観測された回転速度低下を用いて、対流オーバーシュートを校正し、回転進化と主系列の幅を関連付けること。
• 大マゼラン雲（LMC）の質量の大きな星からの窒素含有量測定値を用いて、回転混合効率を定量すること。
• 回転を初期パラメータとして重要な要因とする詳細な等歳線を提供し、ヘルツシュプル図における年齢-質量デゲネラシーを解消すること。
• 質量および回転速度の範囲にわたって、CNO、Li、Be、B、F、Na の表面含有量の進化を予測すること。

提案手法

• 5～60 M⊙ の星について、初期回転速度が 0～600 km/s の範囲で進化軌道を計算した。
• 銀河、大マゼラン雲（LMC）、小マゼラン雲（SMC）の金属量に一致する3つの初期組成を用いた。
• logg < 3.2 における観測された投影回転速度の低下と一致させるために、オーバーシュートパラメータ（α_ov）を校正し、α_ov = 0.34 ± 0.1 圧力スケール高さが得られた。
• LMC のB星からの窒素表面含有量データを用いて、回転混合効率を校正し、モデル予測が観測と一致することを確認した。
• 進化軌道と年齢・回転速度をパラメータとして組み合わせて等歳線を生成し、ヘルツシュプル図におけるシーケンスの広がりを示した。
• CNO、Li、Be、B、F、Na を含む表面含有量の進化を追跡し、時間経過に伴う回転混合の影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな主系列星における適切な対流オーバーシュートのレベルは何か？ そして、観測的にどのように制約できるか？
• RQ2 回転混合は、異なる金属量の環境下で質量の大きな星の表面含有量、特に窒素にどのように影響を与えるか？
• RQ3 最も質量が大きく、最も速く回転する星では、回転が準化学的均一進化をどの程度引き起こすか？
• RQ4 表面含有量と投影回転速度を用いることで、ヘルツシュプル図を用いた際の年齢と質量のデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ5 回転する星の予測された等歳線は、古典的な非回転等歳線と比べて、明るさ-効果的温度空間において位置と広がりの点でどのように異なるか？

主な発見

• logg < 3.2 における回転速度の低下を観測に基づいて校正した結果、対流オーバーシュートパラメータは α_ov = 0.34 ± 0.1 圧力スケール高さに決定された。
• SMC や LMC の 15 および 40 M⊙ の回転モデルは、初期金属量が低いにもかかわらず、最終的な主系列期に初期銀河系組成を超える表面窒素含有量に達した。
• 初期回転速度が 400–500 km/s の星は 4 Myr 時点でも主系列に留まり、50–60 M⊙ の非回転モデルはすでに進化を終えているため、回転によって主系列寿命が延びることが示された。
• LMC において約 35 M⊙ の非回転等歳線に沿ってボロン含有量が急激に低下するのは、効率的な星風による質量損失で外層が除去されるためである。
• 最も質量が大きく、最も速く回転する星では、内部混合が組成を均一化させ、コア進化を遅らせる準化学的均一進化が観測された。
• 回転する星の等歳線は、固定された明るさにおいて広い範囲の効果的温度をカバーしており、表面含有量の制約が追加でなければ、ヘルツシュプル図からの一意な年齢-質量決定は不可能である。