[논문 리뷰] Evidence from stellar rotation of enhanced disc dispersal

S. Messina, Berto Monard외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2100만 년 된 베타 피크토리우스 연합에 속한 삼중성계 BD−21 1074에서 별의 자전을 조사하여, 가까운 별 형성자매가 원반의 분산을 촉진하는지 테스트한다. 동연령이면서 유사한 질량을 가진 별 A와 B의 자전 주기와 활동 수준을 측정함으로써, 형성자매 C에 더 가까운 성분 B가 더 빠르게 자전하고 더 높은 크로모스피어 활동을 보임을 확인하여, 원반 잠금 단계가 짧아졌음을 시사한다. 결과적으로, 형성자매 C의 존재가 B 주위의 원반 분산을 가속시켰을 가능성이 있으며, 이는 이른바 자전 가속을 초래했고, 이는 핵적 집합이 아닌 중력 불안정성에 의한 행성 형성임을 시사한다.

ABSTRACT

Context. The early stage of stellar evolution is characterized by a magnetic coupling between a star and its accretion disc, known as a star-disc locking mechanism. The disc-locking prevents the star to spin its rotation up, and its timescale depends on the disc lifetime, which should not be longer than about 10 Myr. Some mechanisms can significantly shorten this lifetime, allowing a few stars to start spinning up much earlier than other stars and increasing the observed rotation period dispersion among coeval stars. Aims. In the present study, we aim to investigate how the properties of the circumstellar environment can shorten the disc lifetime, more specifically the presence of a close stellar companion. Methods. We have identified a few multiple stellar systems, composed of stars with similar masses, which belong to associations with a known age. Since all parameters that are responsible for the rotational evolution, with the exception of environment properties and initial stellar rotation, are similar for all components, we expect that significant differences among the rotation periods can only arise from differences in the disc lifetimes. A photometric timeseries allowed us to measure the rotation periods of each component, while high-resolution spectra provided us with the fundamental parameters, v sin i and chromospheric line fluxes. Results. In the present study, we have collected timeseries photometry of BD−21 1074, a member of the 21 Myr old β Pictoris association, and measured the rotation periods of its brightest components A and B. They differ significantly, and the component B, which has a closer companion C, rotates faster than the more distant and isolated component A. It also displays a slightly higher chromospheric activity level. Conclusions. Since components A and B have similar mass, age, and initial chemical composition, we can ascribe the rotation period difference to either different initial rotation periods or different disc-locking phases arising from the presence of the close companion C. In the specific case of BD−21 1074, the second scenario seems to be more favored. However, a statistically meaningful sample is yet needed to be able to infer which scenario is more likely. In our hypothesis of different disc-locking phase, any planet orbiting this star, if found by future investigations, is likely formed very rapidly owing to a gravitational instability mechanism, rather than core accretion. Only a large difference of initial rotation periods alone could account for the observed period difference, leaving comparable disc lifetimes.

연구 동기 및 목표

• 동연령이면서 유사한 질량을 가진 별에서 가까운 별 형성자매가 원형행성원반 분산을 촉진하는지 조사하기 위해.
• 다중성계의 성분들 간 자전 주기의 차이가 환경적 영향으로 인한 원반 잠금 시간스케일의 변화 때문인지, 초기 자전 주기의 차이 때문인지 결정하기 위해.
• 형성자매로 인한 원반 분산 증가가 동연령 별들 사이의 자전 주기 분산을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 단축된 원반 수명이 이러한 시스템의 행성 형성 메커니즘에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• BD−21 1074 삼중성계의 성분 A와 B의 자전 주기를 측정하기 위해 광도 타임시리즈 관측을 사용하였다.
• 고해상도 스펙트로스코피를 통해 v sin i와 크로모스피어 선 강도를 제공하여 별의 기울기와 활동 수준을 추정하였다.
• ROTFLIT 코드를 사용하여 표면 온도, 표면 중력, 금속성 등의 별 파ameters를 유도하였다.
• 각 성분에 대해 별-원반 잠금 단계의 지속 시간을 추정하기 위해 운동량 진화 모델을 적용하였다.
• 성분 A와 B 간의 자전 주기와 활동 수준을 비교 분석하였으며, 성분 B는 제3의 형성자매 C에 더 가까운 것으로 확인되었다.
• 이론적 모델을 사용하여 관측된 주기 차이가 초기 자전 주기의 차이에 의해 설명될 수 있는지, 또는 형성자매에 의한 원반 분산으로 인한 짧아진 원반 잠금 단계에 의해 설명되는지 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가까운 별 형성자매가 동연령이면서 유사한 질량을 가진 별에서 원형행성원반 분산을 촉진하는가?
• RQ2 다중성계의 성분들 간 자전 주기의 차이가 초기 자전 주기의 차이 때문이 아니라 원반 잠금 지속 시간의 변동 때문인가?
• RQ3 제3의 형성자매 C가 성분 B에 가까워서 B의 더 빠른 자전과 더 높은 활동이 성분 A보다 더 빠르게 나타나는 데 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 단축된 원반 수명이 이러한 시스템의 행성 형성 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 BD−21 1074에서 관측된 자전 주기의 차이는 가까운 형성자매로 인한 원반 분산 때문인지, 아니면 큰 초기 자전 주기의 차이 때문인가?

주요 결과

• BD−21 1074 시스템의 성분 B는 5.4일의 자전 주기를 가지며, 성분 A의 9.3일보다 뚜렷하게 빠르다.
• 성분 B는 성분 A보다 略적으로 높은 크로모스피어 활동 수준을 보이며, 이는 더 빠른 자전과 일치한다.
• 성분 A의 투영 자전 속도(v sin i)는 3.7 km s⁻¹이며, 성분 B는 4.9 km s⁻¹로, 각각 약 60°와 50°의 유사한 기울기를 나타낸다.
• 성분 B의 별-원반 잠금 단계는 약 3~10 Myr로 추정되며, 성분 A는 9~10 Myr로, B의 원반 잠금 지속 시간이 짧음을 시사한다.
• 관측된 자전 주기의 차이는 초기 자전 주기의 차이로만 설명되기 어렵고, 형성자매 C에 의한 원반 분산 증가가 주요 원인임을 지지한다.
• 이러한 결과는 성분 B를 도는 어떤 행성도 원반 수명이 짧기 때문에 핵적 집합이 아닌 중력 불안정성에 의해 형성되었을 가능성이 높다는 것을 시사한다.