[論文レビュー] Stellar evolution with rotation and magnetic fields II: General equations for the transport by Tayler--Spruit dynamo

A. Maeder, G. Meynet|ArXiv.org|Apr 21, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 19被引用数 79

ひとこと要約

本稿では、回転運動する星における化学的（μ）および熱的（T）安定化勾配と非断熱効果を一貫して取り入れた、Tayler–Spruitダイナモの一般式を構築した。従来の研究が採用していた漸近的近似を避けることで、より包括的な記述が可能となった。一般解によると、磁場は近似的に剛体回転を強制し、回転のみのモデルと比較して内部混合と表面窒素増加を抑制する。これは、磁場がOB星における観測されたN/C比の過剰を説明できるとは限らない可能性を示唆している。

ABSTRACT

We further develop the Tayler--Spruit dynamo theory, based on the most efficient instability for generating magnetic fields in radiative layers of differentially rotating stars. We avoid the simplifying assumptions that either the $μ$-- or the $T$--gradient dominates, but we treat the general case and we also account for the nonadiabatic effects, which favour the growth of the magnetic field. Stars with a magnetic field rotate almost as a solid body. Several of their properties (size of the core, MS lifetimes, tracks, abundances) are closer to those of models without rotation than with rotation only. In particular, the observed N/C or N/H excesses in OB stars are better explained by our previous models with rotation only than by the present models with magnetic fields that predict no nitrogen excesses. We show that there is a complex feedback loop between the magnetic instability and the thermal instability driving meridional circulation. This opens the possibility for further magnetic models, but at this stage we do not know the relative importance of the magnetic fields due to the Tayler instability in stellar interiors.

研究の動機と目的

• 星内部におけるμ勾配およびT勾配効果を一貫して取り入れ、従来の簡略化仮定を避けるTayler–Spruitダイナモの一般的で整合的な定式化を構築すること。
• 磁場の成長と安定性に影響を与える放射損失を含む非断熱効果を組み込むこと。
• Spruit（2002）の漸近的解が星の進化モデルにおける磁場を正確に記述するために十分かどうか、一般解が必要かどうかを評価すること。
• Tayler不安定性と大規模循環の間のフィードバック機構を調査し、非一様回転の平衡状態を解明すること。
• 磁場輸送の観測的意味、特に質量星における表面組成と主系列星寿命への影響を評価すること。

提案手法

• Alfvén周波数およびBrunt–Väisälä周波数NμとNTを用いて、μ勾配およびT勾配の両方の寄与を含む磁気拡산率ηの一般式を導出する。
• 熱拡散率Kと磁気拡散率ηを用いて放射損失を考慮することで、磁場不安定性の成長率に対する非断熱補正を導入する。
• 磁気拡散と大規模循環のバランスから導かれる一般式を用いて、角運動量および元素輸送の磁場寄与を定式化する。
• 15 M⊙モデルに一般解を適用し、漸近的解および磁場なしのモデルと比較する。
• 磁気不安定性の特徴的速度（Umagn）と大規模循環の特徴的速度（Ucirc）を比較し、両者の相対的寄与と平衡状態の可能性を評価する。
• 数値モデルを用いて、磁場が回転プロファイル、コアサイズ、および表面組成（特に窒素およびヘリウム）に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 μ勾配とT勾配の両方の効果を含めることで、従来の漸近的近似と比較してTayler–Spruitダイナモの輸送効率はどのように変化するか？
• RQ2 非断熱効果（特に放射損失）は、放射層における磁場成長を安定化させるか、あるいは促進させるか？
• RQ3 Tayler不安定性と大規模循環の間に安定な平衡状態が達成可能か？その結果、非一様回転プロファイルにどのような意味があるか？
• RQ4 磁場は、OB星に観測される内部混合および表面組成異常（例：N/C比の過剰）にどのように影響を与えるか？
• RQ5 一般解における磁場は、回転のみのモデルと比較して表面の元素増加をどの程度抑制するか？

主な発見

• 一般解は、極限状態（Nμ ≫ NT または Nμ ≪ NT）ではSpruit（2002）の漸近的結果を一貫して回復するが、両勾配が顕著な中間領域では定量的な差が生じる。
• 15 M⊙星の数値モデルでは、磁場が近似的に剛体回転を強制し、回転のみのモデルと比較して非一様回転が抑制されることを示した。
• 磁場は内部混合と表面窒素増加を抑制し、N/C比を回転のみのモデルと比較して低く抑える結果となったが、これはOB星の観測結果とは相反する。
• 特定の半径領域では、磁気不安定性の特徴的速度（Umagn）と大規模循環の特徴的速度（Ucirc）の大きさが同等となり、非一様回転が抑制される可能性のあるフィードバック平衡が成立している可能性がある。
• 深部のエンベロープではUcirc > Umagnであり、表面に近づくとUmagn > Ucircとなるため、両プロセスが競合する遷移領域が存在すると考えられる。
• 平衡回転プロファイルは、磁場モデルの剛体回転と回転のみのモデルの強い非一様回転の中間的状態にあると想定され、現在の磁場モデルが予測するよりも混合が顕著になる可能性がある。