[論文レビュー] Rotating massive stars through the ages, with applications to WR stars, Pop III stars and Gamma Ray Bursts

A. Maeder, G. Meynet|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、赤色巨星、Wolf-Rayet星、Pop III星、および長期間γ線バーストの前身星を含む星族全体にわたる観測データとの適合を著しく改善する回転する質量の大きな星のモデルを提示する。回転拡散、中緯度循環、および異方的質量放出を組み込むことで、非回転モデルに比べて表面組成の異常、表面速度の時間変化、進化軌道をより正確に説明でき、特に低金属量環境で顕著である。

ABSTRACT

This article first reviews the basic physics of rotating stars and their evolution. We examine in particular the changes of the mechanical and thermal equilibrium of rotating stars. An important (predicted and observed) effect is that rotating stars are hotter at the poles and cooler at the equator. We briefly discuss the mass loss by stellar winds, which are influenced by the anisotropic temperature distribution. These anisotropies in the interior are also driving circulation currents, which transports the chemical elements and the angular momentum in stars. Internal differential rotation, if present, creates instabilities and mixing, in particular the shear mixing, the horizontal turbulence and their interactions. A major check of the model predictions concerns the changes of the surface abundances, which are modified by mass loss in the very massive stars and by rotational mixing in O- and B-type stars. We show that the observations confirm the existence of rotational mixing, with much larger effects at lower metallicities. We discuss the predictions of stellar models concerning the evolution of the surface velocities, the evolutionary tracks in the HR diagram and lifetimes, the populations of blue, red supergiants and Wolf-Rayet stars, and the progenitors of type Ibc supernovae. We show, that in many aspects, rotating models provide a much better fit than non-rotating ones. Using the same physical ingredients as those which fit the best the observations of stars at near solar metallicities, we explore the consequences of rotating models for the status of Be stars, the progenitors of Gamma Ray Bursts, the evolution of Pop III stars and of very metal poor stars, the early chemical evolution of galaxies, the origin of the C-enhanced Metal Poor stars (CEMP) and of the chemical anomalies in globular clusters.

研究の動機と目的

• 非回転星進化モデルの限界を克服するため、回転を主要な物理的メカニズムとして組み込むこと。
• 質量の大きな星の観測された表面組成、表面速度、進化軌道の不一致を解消すること。
• 宇宙時間にわたる質量の大きな星の進化を形作る回転の役割、特に低金属量環境において調査すること。
• 回転がWolf-Rayet星の形成、γ線バーストの前身星、金属貧乏星における化学的異常への影響を調査すること。
• 回転と質量放出の組み合わせが核融合生成物と銀河の初期化学的進化に与える影響を評価すること。

提案手法

• 回転する星の配置における重力減光と温度の異方性を記述するため、von Zeipelの定理を用いて回転星のモデル化を行う。
• 内部拡散と角運動量輸送への影響を模擬するため、シェルラーラル回転を実装する。
• 回転不安定性によって駆動される主要な輸送機構として、中緯度循環とせん断拡散を組み込む。
• 放射圏における微分回転と磁場の相互作用を調査するため、Tayler–Spruitダイナモモデルを用いる。
• 回転する星における温度と重力の変動に起因する異方的質量放出を考慮した、放射駆動星風モデルを適用する。
• 観測された表面組成、主系列幅、干渉測定による星の形状、および人口比（例：青超巨星対赤超巨星）と照合してモデルをキャリブレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O型およびB型星における回転拡散と中緯度循環は、特に低金属量環境で表面組成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 回転は、質量の大きな星およびBe星における観測された窒素およびヘリウムの過剰にどの程度寄与するか？
• RQ3 回転モデルは、長年の問題を抱えるWolf-Rayet星の進化とその観測人口に解明をもたらせるか？
• RQ4 回転は、長期間γ線バーストの前身星およびコラプサーの形成に果たす役割は何か？
• RQ5 回転モデルは、核融合生成物の産出と、炭素過剰金属貧乏星（CEMP星）および球状星団内の化学的異常発生源にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 回転モデルは、非回転モデルに比べて、特に低金属量環境で窒素およびヘリウムの過剰といった観測された表面組成の異常をより正確に再現する。
• 回転モデルにおける表面速度の時間的変化は、Be星の観測結果と一致し、特に低金属量環境で臨界回転に近づく傾向をよく再現する。
• 回転モデルは、青超巨星と赤超巨星の比率を高く予測し、Wolf-Rayet星の観測人口比ともよく一致し、長年の不一致を解消する。
• 回転は、臨界回転における放射駆動星風および機械的質量放出を強化し、低金属量星におけるコラプサーおよび長期間γ線バーストの形成確率を高める。
• 低金属量環境では、回転拡散が主に13C、14N、22Neを大量に生成し、CEMP星および球状星団内の化学的異常発生源の起源を支持する。
• モデルは、金属量が高い環境では、より強い星風により角運動量がより効率的に輸送および放出されることを示し、結果としてコアの回転が遅くなり、金属豊富領域におけるコラプサー形成の可能性が低下することを示している。