[논문 리뷰] Asteroseismology of evolved stars to constrain the internal transport of angular momentum II. Test of a revised prescription for transport by the Tayler instability

P. Eggenberger, J. W. den Hartogh외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 34인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 별의 진화 단계에서 타일러 불안정성에 의한 운동량 운반의 개선된 제안을 성운학적 데이터를 통해 시험한다. 모델은 유체역학적 모델보다 핵의 회전 속도가 낮다는 예측을 하며, 주성대 이격 관측 결과와의 일치도 향상시키지만, 테스트된 캘리브레이션 파rameter 전역에서 하위거성과 적색거성의 핵 회전을 동시에 재현하지 못하여 현재의 제안 방식이 성운학적 제약 조건의 전반을 설명하는 데에는 부족하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Context: Asteroseismic measurements reveal that an unknown efficient angular momentum (AM) transport mechanism is needed for subgiant and red giant stars. A revised prescription for AM transport by the magnetic Tayler instability has been recently proposed as a possible candidate for such a missing mechanism. Results: The revised prescription for the transport by the Tayler instability leads to low core rotation rates after the main sequence that are in better global agreement with asteroseismic measurements than those predicted by models with purely hydrodynamic processes or with the original Tayler-Spruit dynamo. A detailed comparison with asteroseismic data shows that the rotational properties of at most two of the six subgiants can be correctly reproduced by models accounting for this revised magnetic transport process. This result is obtained independently of the value adopted for the calibration parameter in this prescription. We also find that this transport by the Tayler instability faces difficulties in simultaneously reproducing asteroseismic measurements available for subgiant and red giant stars. The low values of the calibration parameter needed to correctly reproduce the rotational properties of two of the six subgiants lead to core rotation rates during the red giant phase that are too high. Inversely, the higher values of this parameter needed to reproduce the core rotation rates of red giants lead to a very low degree of radial differential rotation before the red giant phase, which is in contradiction with the internal rotation of subgiant stars. Conclusions: In its present form, the revised prescription for the transport by the Tayler instability does not provide a complete solution to the missing AM transport revealed by asteroseismology of evolved stars.

연구 동기 및 목표

• 진화한 별의 내부 회전에 대한 성운학적 제약 조건을 설명할 수 있는가를 시험하기 위해 타일러 불안정성에 의한 운동량 운반의 개선된 제안을 검토한다.
• 모델이 하위거성과 적색거성의 관측된 핵 및 표면 회전 속도를 재현할 수 있는가를 평가한다.
• 개선된 자기 운반 메커니즘이 하위거성 단계 동안 운동량 운반 효율성이 감소하고 이후 적색거성 가지에서 증가하는 관측 결과를 설명할 수 있는가를 확인한다.
• 다양한 항성 진화 코드(Geneva 및 MESA) 간 결과의 탄력성을 평가한다.
• 현재 타일러 불안정성 메커니즘의 제안 방식이 관측된 회전 프로파일을 설명하는 데 있어 물리적 한계를 규명한다.

제안 방법

• Geneva 항성 진화 코드를 사용하여 개선된 타일러 불안정성 운반 제안을 적용한 항성 진화 모델을 계산하였다.
• 차원 없는 캘리브레이션 파rameter α에 의존하고, 최소한의 경사진 반경 방향 회전 차이가 활성화 조건으로 필요로 하는 개선된 운반 제안을 적용하였다.
• 혼합 모드의 모델 예측 회전 분열을 여섯 개의 하위거성 및 적색거성에서의 성운학적 측정치와 비교하였다.
• 수치적 방법과 입력 물리량의 차이를 고려하여 결과의 타당성을 검증하기 위해 MESA 코드로 모델을 재계산하였다.
• 자유 파rameter인 캘리브레이션 파arameter α를 넓은 범위로 변화시켜 결과의 민감도를 시험하였다.
• 하위거성에서 적색거성 단계로의 전환에 중점을 두고 핵 및 표면 회전 속도의 진화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개선된 타일러 불안정성 제안은 성운학적으로 측정된 하위거성의 낮은 핵 회전 속도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 개선된 자기 운반 메커니즘은 하위거성과 적색거성 양쪽에서 관측된 핵 회전 속도를 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ3 캘리브레이션 파arameter α는 다양한 진화 단계에서 성운학적 제약 조건을 만족시키는 데 모델의 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 하위거성 단계에서 운동량 운반 효율성이 감소한다는 예측은 관측과 일치하는가?
• RQ5 적색거성 단계 이전에 강한 경사진 반경 방향 회전 차이가 예측되는 것은 관측된 하위거성의 회전 프로파일과 모순되는가?

주요 결과

• 개선된 타일러 불안정성 제안은 순수 유체역학적 모델보다 핵의 회전 속도가 현저히 낮고, 성운학적 측정치와 보다 양호한 전반적 일치를 보인다.
• α 캘리브레이션 파arameter가 무엇이든 간에 연구된 여섯 개의 하위거성 중 최대 두 개만이 개선된 타일러 불안정성 모델에 의해 그들의 회전 특성을 정확히 재현할 수 있다.
• 하위거성 데이터를 일치시키기 위해 필요한 낮은 α 값은 적색거성 단계에서 핵의 회전 속도가 너무 높아지게 하여 관측 결과와 모순된다.
• 적색거성 핵의 회전 속도를 일치시키기 위해 필요한 높은 α 값은 적색거성 단계 이전에 충분한 경사진 반경 방향 회전 차이를 제공하지 못하여 하위거성의 성운학적 제약 조건과 모순된다.
• 이 격차는 개선된 메커니즘이 적색거성 단계에서 운동량 운반 효율성이 크게 감소한다고 예측하기 때문에, 보완적으로 초기 진화 단계에서 너무 효율적인 운반을 요구하게 되기 때문이다.
• 다른 항성 진화 코드에서도 결과가 유사하게 나타나 탄력성이 확인되었으며, MESA로 계산한 모델도 동일한 모순을 보여 이 문제의 근본 원인이 물리적 제안 방식에 있음을 확인한다.