[論文レビュー] Seismic diagnostics for transport of angular momentum in stars 1. Rotational splittings from the PMS to the RGB

J. P. Marques, Goupil, M. J.+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 82被引用数 140

ひとこと要約

本研究では、太陽様の星が準主系列から赤色巨星巨星分岐点にかけての回転スペクトル分裂を地震学的診断法を用いて検討し、角運動量輸送を制約する。標準モデルでは、核の回転が予測値よりも高すぎることが判明した。これは、水平方向の乱流粘性係数が過小評価されているか、赤色巨星における観測された遅い核の回転を説明するための追加の物理的メカニズムが不足している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Rotational splittings are currently measured for several main sequence stars and a large number of red giants with the space mission Kepler. This will provide stringent constraints on rotation profiles. Our aim is to obtain seismic constraints on the internal transport and surface loss of angular momentum of oscillating solar-like stars. To this end, we study the evolution of rotational splittings from the pre-main sequence to the red-giant branch for stochastically excited oscillation modes. We modified the evolutionary code CESAM2K to take rotationally induced transport in radiative zones into account. Linear rotational splittings were computed for a sequence of $1.3 M_{\odot}$ models. Rotation profiles were derived from our evolutionary models and eigenfunctions from linear adiabatic oscillation calculations. We find that transport by meridional circulation and shear turbulence yields far too high a core rotation rate for red-giant models compared with recent seismic observations. We discuss several uncertainties in the physical description of stars that could have an impact on the rotation profiles. For instance, we find that the Goldreich-Schubert-Fricke instability does not extract enough angular momentum from the core to account for the discrepancy. In contrast, an increase of the horizontal turbulent viscosity by 2 orders of magnitude is able to significantly decrease the central rotation rate on the red-giant branch. Our results indicate that it is possible that the prescription for the horizontal turbulent viscosity largely underestimates its actual value or else a mechanism not included in current stellar models of low mass stars is needed to slow down the rotation in the radiative core of red-giant stars.

研究の動機と目的

• 地震観測を用いて、低質量星における内部の角運動量輸送と表面での損失を制約すること。
• 準主系列から赤色巨星巨星分岐点にかけての観測された回転スペクトル分裂を再現できるかどうか、現在の星の進化モデルの妥当性を検証すること。
• 赤色巨星星における予測された核の回転速度と観測値との乖離を特定すること。
• 中緯度循環、ひずみ乱流、および代替の輸送メカニズムが、地震学的データを説明する役割を評価すること。

提案手法

• 放射性領域における回転に起因する輸送を組み込んだ、改良されたCESAM2K星の進化コードを用いた。
• 準主系列から赤色巨星巨星分岐点に至るまでの1.3 M☉の進化系列について、線形回転スペクトル分裂を計算した。
• 自己無撞着な進化モデルから回転プロファイルを導出し、線形断熱振動計算からの固有関数を用いた。
• 水平拡散性に対してMathisら（2004）の乱流粘性係数規定を、垂直拡散性に対してTalonとZahn（1997）の規定を適用した。
• 角運動量抽出におけるGoldreich-Schubert-Fricke不安定性基準の潜在的役割を評価した。
• 水平方向の乱流粘性係数を2桁上昇させることで、核の回転に与える影響を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的な星のモデルは、地震観測と比較して赤色巨星星の核の回転速度を著しく高めに予測するのか？
• RQ2 中緯度循環とひずみ乱流は、低質量星における観測された回転スペクトル分裂をどの程度説明できるのか？
• RQ3 Goldreich-Schubert-Fricke不安定性は、モデルと観測値の乖離を是正するのに十分な角運動量抽出を提供するのか？
• RQ4 水平方向の乱流粘性係数を2桁上昇させることで、予測される核の回転速度を観測値に近づけることができるのか？
• RQ5 現在の1次元星のモデルに欠けている物理的メカニズムは何か、低質量赤色巨星星における遅い核の回転を説明するためのものか？

主な発見

• 中緯度循環とひずみ乱流だけでは、赤色巨星モデルにおける核の回転速度が地震観測値よりも高すぎる。
• Goldreich-Schubert-Fricke不安定性は、モデルと観測値の乖離を是正するのに十分な角運動量を抽出できない。
• 水平方向の乱流粘性係数を2桁上昇させることで、赤色巨星巨星分岐点における中心部の回転速度が顕著に低下した。
• 結果から、標準的な水平方向の乱流粘性係数の規定が、星内部の真の値を著しく低く評価している可能性が示唆された。
• 低質量赤色巨星星における観測された遅い核の回転を説明するためには、追加の、未モデル化された角運動量輸送メカニズムが必要である可能性がある。
• 地震学的診断法は、内部回転プロファイルに対する強い制約を提供し、現在の星の進化モデルの限界を浮き彫りにした。