[논문 리뷰] Ap stars with variable periods

Zdeněk Mikulášek, Jiřı́ Krtička외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 24.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

논문은 자기장에 의해 고정된 외부 별대류권과 더 빠르게 회전하는 내부 핵을 둘러싸는 비대칭적 회전이 자기화학적으로 특이한 (mCP) 항성에서 주기의 변화를 설명한다. 장기적인 광도 및 스펙트로스코픽 데이터를 이용해 V901 Ori, CU Vir, BS Cir에서 주기 변화를 확인하였으며, 자기장이 있는 바람에 의해 외부 대류권이 브레이킹되면서 관측된 회전 감속과 이후 가속이 발생한다. 주요 기여는 mCP 항성에서의 회전 진화에 대한 새로운 모델을 제안하며, 강체 회전이라는 가정을 도전한다.

ABSTRACT

The majority of magnetic chemically peculiar (mCP) stars exhibit periodic light, magnetic, radio, and spectroscopic variations that can be adequately modelled as a rigidly-rotating main-sequence star with persistent surface structures. Nevertheless, there is a small sample of diverse mCP stars whose rotation periods vary on timescales of decades while the shapes of their phase curves remain unchanged. Alternating period increases and decreases have been suspected in the hot CP stars CU Vir and V901 Ori, while rotation in the moderately cool star BS Cir has been decelerating. These examples bring new insight into this theoretically unpredicted phenomenon. We discuss possible causes of such behaviour and propose that dynamic interactions between a thin, outer, magnetically-confined envelope braked by the stellar wind, and an inner faster-rotating stellar body are able to explain the observed rotational variability

연구 동기 및 목표

• 안정된 광도곡선 형태에도 불구하고 소수의 mCP 항성에서 주기 변화가 발생하는 원인을 조사하기 위해.
• 장기적인 주기 진동을 분석함으로써 mCP 항성에서의 강체 회전 가정을 도전하기 위해.
• 자기장이 있는 항성 바람을 통한 각운동량 손실이 관측된 주기 변화를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 자기장에 의한 외부 막대의 브레이킹 메커니즘에 의해 유도되는 회전 변화의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 상부 주계열 항성의 내부 구조와 진화에 대해 비강체 회전의 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 약 40년에 걸친 V901 Ori의 3,500개의 광도 및 스펙트로스코픽 측정값을 분석하여 주기 진동을 추적하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 회전 주기와 영점 시기의 변화를 모델링하기 위해 삼차 및 이차 곡선 적합을 사용하기 위해.
• 11개 데이터 세트와 9개 필터 대역에서 14,488개의 광도 측정값에 대해 가중 최소 제곱법을 적용하기 위해.
• 안정된 막대 기하학을 결정하기 위해 위상 -0.0014와 0.4752에 위치한 두 광도 막대를 사용하여 광도곡선을 모델링하기 위해.
• 회전 변화를 정량화하기 위해 주기의 도함수 $\dot{P}$와 스피닝 다운 시간 $\tau_{\mathrm{spin}} = P/\dot{P}$를 계산하기 위해.
• 관측된 $\ddot{P}$ (주기의 이阶도함수)를 항성 진화 및 바람 브레이킹 이론적 예측과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 일부 mCP 항성은 안정된 광도곡선 형태에도 불구하고 주기 변화를 보이는가?
• RQ2 자기장이 있는 항성 바람 브레이킹이 V901 Ori 및 BS Cir와 같은 mCP 항성에서 관측된 주기 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ3 V901 Ori에서 음수인 $\ddot{P}$로 나타나는 감속에서 가속으로의 전환은 무엇을 의미하는가?
• RQ4 BS Cir에서 관측된 주기 변화는 각운동량 손실을 통한 자기장 바람에 의해 설명될 수 있으며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 자기장에 의해 고정된 외부 막대와 더 빠르게 회전하는 내부 핵 사이의 비대칭적 회전이 관측된 주기 변화를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• V901 Ori의 회전 주기는 37년 동안 18초 증가하였으며, $\overline{\dot{P}} = 1.77(5) \times 10^{-8}$ d⁻¹ 및 $\ddot{P} = -32(4) \times 10^{-13}$ d⁻¹로, 2007 ± 2년경에 감속에서 가속으로의 전환이 나타남을 시사한다.
• BS Cir의 경우 주기는 $\dot{P} = 5.6(4) \times 10^{-9}$ d⁻¹의 속도로 증가하며, 이는 연간 0.181(13) s yr⁻¹에 해당하며, 스피닝 다운 시간 $\tau_{\mathrm{spin}} = 1.05(8)$ Myr이다.
• V901 Ori에서 관측된 $\ddot{P} < 0$는 표준 항성 진화나 일정한 바람 브레이킹이 유일한 원인일 수 없음을 시사하며, 층 간의 역동적 상호작용을 시사한다.
• CU Vir의 주기 변화는 급격한 증가를 보이며, 단순한 진화 모델과 부합하지 않는 복잡하고 비단조선형의 행동을 나타낸다.
• BS Cir의 스피닝 다운 시간(1.05 Myr)은 탐지 가능하며, 주계열 수명보다 상당히 짧아 현재 데이터로 관측 가능한 수준이다.
• 속도 변화가 없고 안정된 광도곡선이므로, 이차적 천체의 시간 지연 효과나 진동이 주기 변화의 원인일 수 없다.