[論文レビュー] Suppression of lithium depletion in young low-mass stars from fast rotation

T. Constantino, I. Baraffe+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 142被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、3次元流体力学的シミュレーションに基づき、1次元星のモデルにおいて対流安定性基準および温度勾配を回転が変化させることで、若い低質量星におけるリチウムの減少が抑制されることを提案している。その結果、対流圏が浅くなり、底部の温度が低下し、リチウム燃焼率が著しく低下することで、若いオープンクラスタにおける観測されたリチウム-回転相関を説明できる。追加の混合機構は必要としない。

ABSTRACT

We compute rotating 1D stellar evolution models that include a modified temperature gradient in convection zones and criterion for convective instability inspired by rotating 3D hydrodynamical simulations performed with the MUSIC code. In those 3D simulations we found that convective properties strongly depend on the Solberg-H{\o}iland criterion for stability. We therefore incorporated this into 1D stellar evolution models by replacing the usual Schwarzschild criterion for stability and also modifying the temperature gradient in convection zones. We computed a grid of 1D models between 0.55 and 1.2 stellar masses from the pre-main sequence to the end of main sequence in order to study the problem of lithium depletion in low-mass main sequence stars. This is an ideal test case because many of those stars are born as fast rotators and the rate of lithium depletion is very sensitive to the changes in the stellar structure. Additionally, observations show a correlation between slow rotation and lithium depletion, contrary to expectations from standard models of rotationally driven mixing. By suppressing convection, and therefore decreasing the temperature at the base of the convective envelope, lithium burning is strongly quenched in our rapidly rotating models to an extent sufficient to account for the lithium spread observed in young open clusters.

研究の動機と目的

• 標準星のモデルでは高速回転星においてリチウムの減少が予測されるが、観測では逆の傾向が見られるという矛盾を解消すること。
• 3次元流体力学的シミュレーションの知見を用いて、回転が低質量星における対流安定性および温度勾配にどのように影響するかを調査すること。
• 修正された対流基準が、プレアデスやM35の若いオープンクラスタに観測されたリチウムの豊度分布を再現できるかどうかを検証すること。
• 原始系列および主系列段階におけるリチウムの減少率に回転が及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• MUSICコードを用いた3次元流体力学的シミュレーションから得られたSolberg-Høiland基準を基に、修正された対流安定性基準を導入した。
• 標準のシュバルツシルト基準に置き換え、回転に依存する安定性条件を導入し、対流の始発閾値を上昇させた。
• 対流領域内の温度勾配を、回転が対流効率に与える影響を反映させるように修正した。
• 原始系列から主系列終焉まで、0.55〜1.2 M⊙の範囲で1次元星の進化モデルのグリッドを計算した。
• 太陽の性質に一致させるために、初期組成を固定し、混合路長パラメータをキャリブレーションした。
• リチウムの減少率を評価するため、対流圏底部の温度に強く依存する7Li(p,α)4He反応率を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速回転は、低質量星における対流安定性および温度勾配をどのように変化させるか？
• RQ2 回転が修正された対流基準を用いることで、若い低質量星におけるリチウムの減少が抑制され、観測傾向と一致するか？
• RQ3 修正された安定性基準は、標準モデルと比較してリチウム燃焼をどの程度低減させるか？
• RQ4 リチウムの減少の抑制は、特に原始系列段階において回転速度に強く依存するか？
• RQ5 回転による構造的変化は、磁場の抑制やスポット被覆など他の提案されたメカニズムと比較してどのように異なるか？

主な発見

• 修正された安定性基準により、高速回転モデルでは対流包層底部の温度が低下し、7Li(p,α)4He反応率が抑制されることでリチウムの減少が低減される。
• 構造的変化が顕著になる回転周期 ≤0.5日で、リチウム燃焼の抑制が最も顕著になる。
• モデルで得られたリチウムの豊度分布は、プレアデスやM35の若いオープンクラスタにおける観測分布と一致する。
• 対流圏下部の混合スキームの選択に依存しないため、さまざまな物理的取り扱いにおいても安定性が保証される。
• 回転により温度勾配および対流圏の深さが両方とも低下し、その変化はΩ²に比例する。このため、温度に敏感なリチウム燃焼率に強く影響を与える。
• 追加の回転混合や磁場の記述を必要とせず、観測された回転とリチウム減少の逆相関を再現できる。