[論文レビュー] Rotating Massive Main-Sequence Stars II: Simulating a Population of LMC early B-type Stars as a Test of Rotational Mixing

I. Brott, C. J. Evans+10 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Feb 3, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 119

ひとこと要約

本研究では、大型マゼラン銀河（LMC）の初期B型大質量星における回転混合の理論を検証するために、新規の集団合成モデルを用い、高精度な窒素質量分数量と回転速度データを活用した。非蓄積星の割合をうまく再現できたが、モデルは観測値の2倍の速回転窒素蓄積星を予測し、2つの主要なサブグループ—ゆっくり回転する窒素蓄積星と、速回転する非蓄積星—を再現できなかった。これは、標準的な回転混合モデルに加えて、連星系や磁場といった追加の物理機構が必要であることを示唆している。

ABSTRACT

Rotational mixing in massive stars is a widely applied concept, with far reaching consequences for stellar evolution. Nitrogen surface abundances for a large and homogeneous sample of massive B-type stars in the LMC were obtained by the VLT-FLAMES Survey of Massive Stars. This sample is the first covering a broad range of projected stellar rotational velocities, with a large enough sample of high quality data to allow for a statistically significant analysis. We use the sample to provide the first rigorous test of the theory of rotational mixing in massive stars. We calculated a grid of stellar evolution models, using the FLAMES sample to calibrate some of the uncertain mixing processes. We developed a new population-synthesis code, which uses this grid to simulate a large population of stars with masses, ages and rotational velocity distributions consistent with those from the FLAMES sample. The synthesized population is then filtered by the selection effects in the observed sample, to enable a direct comparison between the empirical results and theoretical predictions. Our simulations reproduce the fraction of stars without significant nitrogen enrichment. The predicted number of rapid rotators with enhanced nitrogen is about twice as large as found observationally. Furthermore, a group of stars consisting of slowly rotating, nitrogen-enriched objects and another consisting of rapidly rotating un-enriched objects can not be reproduced by our single-star population synthesis. Additional physical processes appear to be required to understand the population of massive main-sequence stars from the FLAMES sample.We discuss the possible role of binary stars and magnetic fields in the interpretation of our results. We find that the population of slowly rotating nitrogen-enriched stars is unlikely produced via mass transfer and subsequent tidal spin-down in close binary systems

研究の動機と目的

• 大型マゼラン銀河（LMC）の初期B型大質量星の広範かつ均一なサンプルを用いて、大質量星における回転混合理論を厳密に検証すること。
• とりわけ、回転混合モデルに挑戦するゆっくり回転する窒素蓄積星が存在するという、長年の解釈の曇りを解消すること。
• VLT-FLAMES調査で観測された星の質量関数、年齢、および投影回転速度の分布を反映する、新たな集団合成フレームワークを構築・適用すること。
• 理論的予測と観測結果との乖離、特に速回転非蓄積星とゆっくり回転窒素蓄積星の部分群に関して、その程度を定量化すること。
• 連星系や磁場といった代替物理機構が、観測された星集団を説明するために果たす役割を評価すること。

提案手法

• 観測された主系列の幅広がりと窒素蓄積傾向に一致するように、校正済みのオーバーシュートと回転混合パラメータを用いた星の進化モデルのグリッドを構築した。
• VLT-FLAMESサンプルの質量、年齢、および投影回転速度の分布を再現する、新しい集団合成コードを開発し、大質量星の合成集団をシミュレートした。
• 観測選択効果（例：S/N、線幅拡張）を合成集団に適用し、観測データとの直接比較を可能にした。
• 観測された窒素質量分数量を投影回転速度の関数として用い、モデル内での回転混合の効率を制約した。
• 観測されたサブグループ（例：速回転窒素蓄積星、ゆっくり回転窒素蓄積星）における星の予測数を、VLT-FLAMES調査からの実際の数と比較した。
• 連星進化や磁気減速といった代替シナリオを評価し、説明不能なサブグループを説明するための妥当性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一星の進化モデルに回転混合を組み込んだ場合、LMCの初期B型星における窒素表面質量分数量と投影回転速度の観測分布をどの程度再現できるか？
• RQ2 なぜモデルでは観測値よりも著しく多くの速回転窒素蓄積星が予測されるのか？
• RQ3 回転混合がこのような星で効率的に作用しないと考えられる中で、ゆっくり回転する窒素蓄積星の存在を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 速回転非蓄積星の観測集団は、単一星モデルで説明可能か、それとも連星系や磁場といった追加の物理機構を要するのか？
• RQ5 モデル予測と観測結果の乖離は、モデル化の不確実性や選択効果に起因するものではなく、本質的であるのか？

主な発見

• モデルは、顕著な窒素蓄積が見られない星の割合をうまく再現しており、オーバーシュートと回転混合パラメータのキャリブレーションが妥当であることを裏付けた。
• モデルは、観測値の2倍の速回転窒素蓄積星を予測しており、このサブグループの著しい過剰予測を示している。
• モデルは、ゆっくり回転する窒素蓄積星の観測集団（ボックス2）を再現できず、これは連星系における質量移動や潮汐的スピンダウンによって説明される可能性が低い（速回転窒素蓄積星の過剰な存在がその根拠となる）。
• 同様に、速回転非蓄積星の観測集団（ボックス1）もモデルでは再現できず、理論的期待値に比べて予測値が不足している。
• ゆっくり回転する窒素蓄積星と速回転非蓄積星という2つの説明不能なサブグループの存在は、回転混合だけでは観測された星の全般的な性質を説明できないことを示唆している。
• 磁場や連星相互作用が、観測された星集団を説明するために必要である可能性が高く、磁気減速は窒素蓄積でゆっくり回転する星の説明として妥当な可能性があるが、現在のモデルには磁場効果を記述する物理的パラメータは存在しない。