[논문 리뷰] Close binary evolution. III. Impact of tides, wind magnetic braking, and internal angular momentum transport

Hanfeng Song, G. Meynet외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 26인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 대량 항 星을 수반하는 밀접한 쌍성계에서 maré, 바람 자기 브레이킹, 내부 운동량 운반 간의 상호작용을 조사한다. 제네바 별진화 코드를 사용하여, 별이 마찰에 의한 가속과 자기 브레이킹 간의 경쟁으로 인해 안정된 비동기적 '평형 운동량 속도'로 수렴함을 보여주며, 많은 경우에서 표면 회전 속도가 시간이 지남에 따라 증가함을 보이며, 오래된, 빠르게 회전하는, 자기장이 강한 별이 강한 질소 농축을 보이는 현상을 설명할 수 있는 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

Massive stars with solar metallicity lose important amounts of rotational angular momentum through their winds. When a magnetic field is present at the surface of a star, efficient angular momentum losses can still be achieved even when the mass-loss rate is very modest, at lower metallicities, or for lower-initial-mass stars. In a close binary system, the effect of wind magnetic braking also interacts with the influence of tides, resulting in a complex evolution of rotation. We study the interactions between the process of wind magnetic braking and tides in close binary systems. We discuss the evolution of a 10 M$_\odot$ star in a close binary system with a 7 M$_\odot$ companion using the Geneva stellar evolution code. The initial orbital period is 1.2 days. The 10 M$_\odot$ star has a surface magnetic field of 1 kG. Various initial rotations are considered. We use two different approaches for the internal angular momentum transport. In one of them, angular momentum is transported by shear and meridional currents. In the other, a strong internal magnetic field imposes nearly perfect solid-body rotation. The evolution of the primary is computed until the first mass-transfer episode occurs. The cases of different values for the magnetic fields and for various orbital periods and mass ratios are briefly discussed. We show that, independently of the initial rotation rate of the primary and the efficiency of the internal angular momentum transport, the surface rotation of the primary will converge, in a time that is short with respect to the main-sequence lifetime, towards a slowly evolving velocity that is different from the synchronization velocity. (abridged).

연구 동기 및 목표

• 밀접한 이중성계에서 마찰력, 바람 자기 브레이킹, 내부 운동량 운반 간의 상호작용을 이해한다.
• 자기 브레이킹 시간 스케일을 어김없이 따르는 것처럼 보이는 오래된, 빠르게 회전하는 자기장이 강한 대량 항성의 수수께끼를 해결한다.
• 내부 운동량 운반 메커니즘(비대칭 대비 강체 회전)의 차이가 항성 진화와 표면 조성에 미치는 영향을 조사한다.
• 밀접한 이중성이 오랜 나이에 걸쳐 강한 표면 자기장을 지닌 별과 높은 질소 농축을 생성할 수 있는지 판단한다.
• 질량-광도 비율과 표면 조성을 통해 관측 제약 조건을 제공하여 대량 항성에서 내부 운동량 및 화학적 운반 물리학을 검증한다.

제안 방법

• 10 M⊙ 주성과 7 M⊙ 보조성의 1.2일 주기 이중성계에서 10 M⊙ 주성을 제네바 항성진화 코드로 시뮬레이션한다.
• 내부 운동량 운반 모델 두 가지를 적용: 하나는 비틀림과 순환 흐름을 포함하고, 다른 하나는 강한 내부 자기장으로 인해 강체 회전을 강제하는 모델.
• 주성에 표면 자기장 1 kG를 도입하여 바람 자기 브레이킹 효과를 모의한다.
• 초기 회전 속도, 궤도 주기, 질량 비율, 자기장 강도를 변화시켜 매개변수 공간을 탐색한다.
• 첫 번째 질량 전이 사건까지 진화를 추적하며 표면 속도, 광도, 질소 농도의 변화를 분석한다.
• 다른 운반 가정 조건 하에서 히츠프루거-루셀도표에서의 진화 궤적과 표면 조성 패턴을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마찰과 바람 자기 브레이킹은 밀접한 이중성계에서 대량 항성의 회전 진화에 어떻게 상호작용하는가?
• RQ2 내부 운동량 운반 메커니즘(비대칭 대비 강체 회전)은 표면 조성 패턴과 광도-질량 비율에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 오래된, 빠르게 회전하는 자기장이 강한 대량 항성 집단은 자기 브레이킹를 고려한 밀접한 이중성계 진화로 설명될 수 있는가?
• RQ4 밀접한 이중성계에서 도달하는 평형 회전 상태의 성격은 무엇이며, 자기장 강도와 궤도 주기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 표면 질소 농도와 질량-광도 비율이 대량 항성에서 내부 운동량 및 화학적 운반에 얼마나 제약을 가하는가?

주요 결과

• 주성의 표면 회전 속도는 몇 백만 년 내에 안정된 비동기적 평형 운동량 속도로 급격히 수렴하며, 이는 항상 궤도 운동량 속도보다 낮다.
• 질량 손실 또는 표면 자기장 강도가 증가할수록 자기 브레이킹에 의한 감속이 더 강하게 작용하여, 자전-궤도 속도 차이가 커진다.
• 강체 회전 모델은 대류 핵부근의 혼합 증가로 인해 비대칭 회전 모델보다 더 높은 광도-질량 비율을 보인다.
• 더 강한 전반적 혼합에도 불구하고, 강체 회전 모델은 비대칭 회전 모델보다 표면 질소 농도가 낮다. 이는 외부 층에서 비틀림에 의한 혼합의 차이 때문이기 때문이다.
• 질소 표면 농도는 바람 자기 브레이킹보다 내부 운동량 운반에 더 민감하므로, 운반 메커니즘의 주요 진단 도구가 된다.
• 질량 전이 이전의 이중성계에서 표면 조성과 질량-광도 비율을 관측하면, 운동량 운반 효율성과 미발견된 쌍성체 존재 여부를 제약 조건으로 제시할 수 있다.