[논문 리뷰] Chemical mixing in low mass stars: I. Rotation against atomic diffusion including radiative accelerations

Morgan Deal, M. J. Goupil외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 68인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 별의 진화 모델을 사용하여 저질량 항성에서 원자 확산(방사압 가속 포함)과 회전에 의해 유도되는 혼합 간의 경쟁을 조사한다. 연구 결과, 1.3 M⊙ 이하에서는 회전이 원자 확산으로 인한 표면 농도 변화를 억제하지만, 1.44 M⊙ 이상에서는 원자 확산이 지배적이며, 강한 회전이 아닌 한 관측되지 않는 화학적 이질성을 초래한다. 별의 물리적 매개변수 추론에서 이 두 과정을 간과할 경우 F형 항성의 연령 추정 오차가 최대 25%, 질량 오차 5%, 반지름 오차 2.5%에 이르게 된다.

ABSTRACT

When modelling stars with masses larger than 1.2Msun with no observed chemical peculiarity, atomic diffusion is often neglected because, on its own, it causes unrealistic surface abundances compared with those observed. The reality is that atomic diffusion is in competition with other transport processes. The purpose of this study is to quantify the opposite or conjugated effects of atomic diffusion and rotationally induced mixing in stellar models of low mass stars. Our second goal is to estimate the impact of neglecting both rotational mixing and atomic diffusion in stellar parameter inferences for stars with masses larger than 1.3Msun. Using the AIMS code, we infer the masses and ages of a set of representative artificial stars for which models were computed with the CESTAM evolution code, taking into account rotationally induced mixing and atomic diffusion, including radiative accelerations. We show that for masses lower than 1.3Msun, rotation dominates the transport of chemical elements, and strongly reduces the effect of atomic diffusion, with net surface abundance modifications similar to solar ones. At larger mass, atomic diffusion and rotation are competing equally. Above 1.44Msun, atomic diffusion dominates in stellar models with initial rotation smaller than 80km.s-1 producing a chemical peculiarity which is not observed in Kepler-legacy stars. This indicates that a transport process of chemical elements is missing. Importantly, neglecting rotation and atomic diffusion (including radiative accelerations) in the models, when inferring the parameters of F-type stars, may lead to errors of 5%, 2.5% and 25% respectively for stellar masses, radii and ages. Atomic diffusion (including radiative accelerations) and rotational mixing should be taken into account in stellar models in order to determine accurate stellar parameters.

연구 동기 및 목표

• 저질량 항성에서 원자 확산(방사압 가속 포함)과 회전에 의해 유도되는 혼합 간의 상호작용을 정량화하는 것.
• 회전에 의해 유도되는 혼합이 F형 항성에서 원자 확산으로 인한 강한 표면 농도 변화를 방지할 수 있는지 평가하는 것.
• 1.3 M⊙ 이상의 별에 대해 원자 확산과 회전 혼합을 모두 간과했을 경우 별의 물리적 매개변수 추론에 미치는 영향을 평가하는 것.
• Kepler 항성 관측 결과와 모형 간의 일치를 위해 추가적인 물질 이동 메커니즘이 필요한지 확인하는 것.

제안 방법

• CESTAM 진화 코드를 사용하여 회전에 의해 유도되는 혼합과 원자 확산(방사압 가속 포함)을 포함한 별의 진화 모델을 계산하였다.
• 이 모델 기반으로 알려진 질량, 연령, 표면 농도를 가진 인공 항성을 생성하였다.
• ASTEROSEISMIC 및 전통적 관측 제약 조건에서 별의 물리적 매개변수를 추론하기 위해 AIMS 별의 물리적 매개변수 추론 코드를 사용하였으며, 이때 모델 격자에서는 원자 확산과 회전을 모두 배제하였다.
• 인간된 매개변수와 인공 항성의 진짜 값 간의 비교를 통해 매개변수 추론 오차를 정량화하였다.
• 태양 금속도 조건에서 분석을 수행하였으며, 복합체 회전 및 균일한 회전 프로파일에 대해 별도의 테스트를 실시하였다.
• 다양한 가정 하에서의 결과를 비교하여 모델의 강인성과 최적화 방법 선택의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 항성에서 회전은 원자 확산이 표면 농도에 미치는 영향를 어떻게 완화하는가?
• RQ2 원자 확산과 회전의 병합 효과가 F형 항성의 관측된 표면 농도를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 모델 격자에서 원자 확산과 회전 혼합을 모두 간과했을 경우 별의 물리적 매개변수 추론에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Kepler 항성에서 화학적 이질성이 관측되지 않는다는 사실은 원자 확산과 회전을 초월한 추가적인 물질 이동 과정이 존재함을 시사하는가?
• RQ5 회전에 대한 가정(복합체 회전 대비 균일한 회전)은 원자 확산과 혼합 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1.3 M⊙ 이하의 별에서는 회전이 원자 확산보다 지배적이며, 표면 농도 변화가 태양 수준과 유사하다.
• 1.44 M⊙ 이상이면서 初기 회전 속도가 80 km s⁻¹ 이하인 경우 원자 확산이 지배적이며, 관측되지 않는 화학적 이질성을 초래한다.
• 별의 물리적 매개변수 추론에서 원자 확산과 회전 혼합을 모두 간과할 경우 F형 항성의 질량 오차는 약 5%, 반지름 오차는 2.5%, 연령 오차는 최대 25%에 이르게 된다.
• 방사압 가속은 표면 농도에 상당한 영향을 미치며(최대 0.1 dex), 특히 1.3–1.4 M⊙ 범위에서 정확한 매개변수 추론에 필수적이다.
• 복합체 회전 대신 균일한 회전을 가정할 경우 원자 확산의 영향이 더 강해져 1.3 M⊙에서도 일관되지 않은 표면 농도를 초래한다.
• 결과적으로 원자 확산과 회전 혼합의 모형을 관측 결과와 일치시키기 위해 추가적인 화학적 혼합 과정과 회전 혼합의 재수정된 수식화가 필요하다는 것이 제안된다. 특히 1.3 M⊙ 이상의 별에 대해 그렇다.