[論文レビュー] Stellar evolution with rotation and magnetic fields:III: The interplay of circulation and dynamo

A. Maeder, G. Meynet|ArXiv.org|Jun 15, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用数 92

ひとこと要約

本稿は、非等温星における極向流れとTayler–Spruitダイナモの相乗効果を調査し、磁場がほぼ剛体回転を強制することで、対流による元素輸送が著しく増幅されることを示している。主な結果として、磁場が表面窒素およびヘリウムの増加を、回転のみによるものよりも最大11倍まで強化しており、観測されたOB星の元素組成と整合するメカニズムを提供している。

ABSTRACT

We examine the effects of the magnetic field created by the Tayler--Spruit dynamo in differentially rotating stars. Magnetic fields of the order of a few $10^4$ G are present through most of the stellar envelope, with the exception of the outer layers. The diffusion coefficient for the transport of angular momentum is very large and it imposes nearly solid body rotation during the MS phase. In turn, solid body rotation drives meridional circulation currents which are much faster than usual and leads to much larger diffusion coefficients than the magnetic diffusivity for the chemical species. The consequence is that the interplay of the thermal and magnetic instabilities favours the chemical transport of elements, while there would be no transport in models with magnetic field only. We also discuss the effects on the stellar interior, lifetimes and HR diagram.

研究の動機と目的

• Tayler–Spruitダイナモが生成する磁場と回転星における極向流れのフィードバック機構を理解すること。
• すべての断熱および非断熱条件下で磁場不安定性と熱的不安定性を統合的に扱うフレームワークを構築し、従来のモデルに見られる矛盾を解消すること。
• 磁場、回転、極向流れの相乗効果が大質量星における元素輸送および星の進化に与える影響を評価すること。
• OB星の表面組成に関する観測データとモデル予測を比較し、特に窒素およびヘリウムの増加を検証すること。
• 星震動学が内部回転プロファイルおよび磁場効果を検証する可能性を評価すること。

提案手法

• 断熱および非断熱星内部に適用可能なTayler–Spruitダイナモの整合的方程式系を構築する。
• アルヴェン周波数および磁場エネルギー密度を用いて、磁場が角運動量輸送に与える影響をモデル化する。
• 数値的星進化モデルを用いて、磁場生成、非等温回転、極向流れの連立系を解く。
• フィードバックループを導入：磁場が非等温回転を抑制し、それが極向流れを強化し、結果として再び非等温回転を回復させる。
• 磁場拡散および対流駆動混合に起因する輸送係数を用いて、化学元素輸送を定量化する。
• 回転のみ、磁場のみ、および両方の効果を含むモデルを比較し、相乗効果を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tayler–Spruitダイナモは、大質量星における角運動量輸送および回転プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 磁場が剛体回転を強制する中で、極向流れが化学的元素輸送をどの程度強化するか？
• RQ3 回転のみと比較して、磁場は表面窒素およびヘリウムの増加をどの程度強化するか？
• RQ4 予測された表面組成の増加は、OB星の観測データと整合するか？
• RQ5 gモード振動などの観測的診断指標は、予測された内部回転および磁場構造を検証するのにどの程度有効か？

主な発見

• Tayler–Spruitダイナモが生成する磁場は、主系列期間中、星の包層全域でほぼ剛体回転を強制し、非等温回転を抑制する。
• 非等温回転の抑制は極向流れを著しく強化し、磁場拡散によるものよりも化学的輸送係数が顕著に増加する。
• 回転と磁場の両方を含むモデルでは、主系列終焉時に表面ヘリウム質量分率がY_s = 0.31にまで上昇し、太陽値を上回る。
• 窒素/炭素比と窒素/酸素比は、それぞれ11倍および6倍に増加し、回転のみのモデルの予測を著しく上回る。
• 回転と磁場の両方を含むモデルでは、より大きなコアと表面ヘリウム増加に起因する光学的厚さの低下により、主系列終焉時に高い光度と青い色に達する。
• 予測された表面組成の増加は、高速回転するOB星の観測と概ね整合するが、データ不足のため観測的制約は依然として限られている。