[論文レビュー] The Rotation of Young Low-Mass Stars and Brown Dwarfs

W. Herbst, J. Eisloêffel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、若い低質量星および褐色矮星における回転周期と角運動量の進化に関する観測データをレビューし、約5 Myr間、ディスク媒介の減速が回転を遅くする一方、低質量対象では磁気的減速が効率が悪いことを明らかにした。主な結果として、1 Myrにおける二峰性の周期分布が観測され、高速回転対象は角運動量を保存し、低速回転対象はディスク相互作用によって角運動量を失う。これは、巨大惑星形成のための狭い時間窓（約1 Myr）があることを示唆する。

ABSTRACT

We review the current state of our knowledge concerning the rotation and angular momentum evolution of young stellar objects and brown dwarfs from a primarily observational view point. Periods are typically accurate to 1% and available for about 1700 stars and 30 brown dwarfs in young clusters. Discussion of angular momentum evolution also requires knowledge of stellar radii, which are poorly known for pre-main sequence stars. It is clear that rotation rates at a given age depend strongly on mass; higher mass stars (0.4-1.2 M$_\odot$) have longer periods than lower mass stars and brown dwarfs. On the other hand, specific angular momentum is approximately independent of mass for low mass pre-main sequence stars and young brown dwarfs. A spread of about a factor of 30 is seen at any given mass and age. The evolution of rotation of solar-like stars during the first 100 Myr is discussed. A broad, bimodal distribution exists at the earliest observable phases ($\sim$1 Myr) for stars more massive than 0.4 M$_\odot$. The rapid rotators (50-60% of the sample) evolve to the ZAMS with little or no angular momentum loss. The slow rotators continue to lose substantial amounts of angular momentum for up to 5 Myr, creating the even broader bimodal distribution characteristic of 30-120 Myr old clusters. Accretion disk signatures are more prevalent among slowly rotating PMS stars, indicating a connection between accretion and rotation. Disks appear to influence rotation for, at most, $\sim$5 Myr, and considerably less than that for the majority of stars. If the dense clusters studied so far are an accurate guide, then the typical solar-like star may have only $\sim$1 Myr for this task. It appears that both disk interactions and stellar winds are less efficient at braking these objects.

研究の動機と目的

• 若い低質量星および褐色矮星が準主系列に達する段階における角運動量の進化に関する観測的制約を理解すること。
• 降着ディスクと星風が、恒星および亜恒星質量関数全体における回転の減速に果たす役割を特定すること。
• ディスク媒介の角運動量損失が発生する時間スケールを評価し、惑星形成に与える影響を検討すること。
• 太陽型星と比較して、低質量および褐色矮星対象における磁気的減速の効率を調査すること。
• 回転の変動性および spots 活動が周期測定および角運動量の進化に与える影響を評価すること。

提案手法

• 1–2 m望遠鏡を用いた広視野の光度モニタリングにより、若年星団（例：ONC、NGC 2264、IC 348）における準主系列星および褐色矮星の回転周期を測定した。
• 表面の spots に起因する明るさの変動から、傾きに依存しない精度約1%の回転周期を測定した。
• 周期データと星の半径推定値を組み合わせ、特定角運動量（j = J/M）を計算し、その進化を追跡した。
• 回転周期と降着ディスクの特徴（例：発光線、赤外過剰）の相関関係を分析し、ディスク-回転結合の推定を行った。
• 1 Myrから120 Myrまでの異なる年齢における周期分布の比較により、角運動量損失の時間スケールを推定した。
• 星と褐色矮星における回転進化の比較を通じて、磁気的減速の役割を評価し、低質量対象では効率が低いことを注記した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着ディスクが若い低質量星および褐色矮星の回転に顕著に影響を与える時間スケールは何か？
• RQ2 なぜ約1 Myrで回転周期の二峰性分布が出現し、最初の100 Myrにわたりどのように進化するのか？
• RQ3 特に褐色矮星領域において、ディスク減速および星風による角運動量損失の効率は質量にどのように依存するか？
• RQ4 磁気活動およびコロナ風は、若い低質量対象の回転減速にどの程度寄与するか？
• RQ5 降着ディスクの寿命と回転進化に基づいて、巨大惑星形成のための時間の上限は何か？

主な発見

• 若年星団（1–120 Myr）における回転周期は、約1 Myrで二峰性分布を示し、約50–60%の星が高速回転しており、残りは低速回転している。これは、角運動量の進化が初期に分岐していることを示唆する。
• 低速回転対象は約5 Myr間にわたり顕著な角運動量損失を経験しているが、高速回転対象はほぼ角運動量保存のまま進化しており、ZAMSへの収縮と整合的である。
• 降着ディスクの特徴は、低速回転対象に多く見られ、これは最初の約5 Myr間に角運動量損失の主なメカニズムがディスク減速であることを示している。
• 近赤外研究から推定される最大ディスク寿命（約5 Myr）は、観測された回転減速の時間スケールと一致しており、典型的な太陽型系では、巨大惑星形成のための約1 Myrの時間窓があると示唆される。
• ディスク減速は低質量星および褐色矮星では効率が低く、冷却温度とコロナ活動の低下により、褐色矮星における星風による磁気的減速は顕著に弱い。
• 200 Myr以降においても、褐色矮星の最大周期上限は低いままである（例：10日未満）、これは収縮過程における角運動量保存と長期的減速の最小化と整合的である。