[논문 리뷰] Evidence from stellar rotation of enhanced disc dispersal: (I) The case of the triple visual system BD-21 1074 in the $β$ Pictoris association

S. Messina, Berto Monard외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 25.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 64인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2100만 년 된 β 피게이오리스 연합에 속한 삼중성계 BD-21 1074를 조사하여, 가까운 별 형성자녀가 디스크 분해를 가속화하고 별-디스크 잠금 단계를 단축시키는지 테스트한다. 광도 변화 곡선과 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여, 거리 15 AU에 가까운 형성자녀 C를 가진 성분 B는 유사한 질량, 나이, 조성에도 불구하고 성분 A보다 빠른 회전 주기(P = 5.4일)를 보이며, 이는 동역적 상호작용으로 인한 디스크 분해 가속화가 회전 주기 차이의 가장 가능성이 높은 원인임을 시사한다.

ABSTRACT

The early stage of stellar evolution is characterized by a star-disc locking mechanism. The disc-locking prevents the star to spin its rotation up, and its timescale depends on the disc lifetime. Some mechanisms can significantly shorten this lifetime, allowing a few stars to start spinning up much earlier than other stars. In the present study, we aim to investigate how the properties of the circumstellar environment can shorten the disc lifetime. 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. The rotation periods of the components differ significantly, and the component B, which has a closer companion C, rotates faster than the more distant and isolated component A. 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. In our hypothesis of different disc-locking phase, any planet orbiting this star 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

• 낮은 질량의 주시퀀스 전 별에서 가까운 별 형성자녀의 존재가 디스크 수명을 단축시키는지 조사하기 위해.
• 동역적 상호작용으로 인한 디스크 분해 가속화가 별의 이른 회전 가속화로 이어지며, 이는 회전 주기의 차이로 증명된다는 가설을 테스트하기 위해.
• 동시에 형성된, 질량이 유사한 별들에서 초기 회전 주기의 차이와 디스크-잠금 단계의 변동을 분리하여 분석하기 위해.
• 단축된 디스크 수명이 이러한 시스템에서 행성 형성 메커니즘에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• BD-21 1074 삼중성계의 성분 A와 B의 회전 주기를 측정하기 위해 시간에 따른 광도 측정을 확보하였다.
• 기본적인 별성질, 특히 vsini와 크로모스피어 활성 수준을 유도하기 위해 고해상도 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 각 성분의 효율 온도, 표면 중력, 그리고 투사된 회전 속도를 결정하기 위해 ROTFIT를 사용하였다.
• 구형 대칭을 가정하여 vsini와 회전 주기를 기반으로 별의 기울기를 추정하였다.
• 각성 운동량 진화 모델과 관측된 회전 주기의 차이를 비교하여 별-디스크 잠금 단계의 지속 시간을 추론하였다.
• 초기 회전 주기의 차이보다는 증가된 디스크 분해가 관측된 주기 불일치의 원인일 가능성에 대해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중성계에서 가까운 별 형성자녀의 존재가 디스크 분해를 가속화하고 별-디스크 잠금 단계를 단축시키는가?
• RQ2 다중성계의 동시 형성된, 질량이 유사한 별들 사이에서 관측된 회전 주기의 차이가 초기 회전 주기의 차이가 아니라 디스크 수명의 차이로 설명될 수 있는가?
• RQ3 단축된 디스크 수명이 이러한 시스템에서 행성 형성 메커니즘에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ4 별의 동역적 환경이 주시퀀스 전 단계 동안 그의 회전 진화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• BD-21 1074 시스템의 성분 B는 유사한 질량과 나이에도 불구하고 성분 A보다 빠른 5.4일의 회전 주기를 가지며, 이는 유의미하게 빠른 것이다.
• 성분 B의 빠른 회전은 주로 15 AU 떨어진 형성자녀 C로 인한 디스크 분해 가속화로 인한 짧은 별-디스크 잠금 단계 때문으로 기인한다.
• 운동량 진화 모델링 결과, 성분 B의 디스크-잠금 단계는 3–10 밀리온 년 동안 지속되었고, 성분 A는 9–10 밀리온 년 동안 지속되었으며, 이는 디스크 수명의 상당한 차이를 시사한다.
• 크로모스피어 활성 수준은 성분 B(M2.5)에서 성분 A(M1.5)보다 略로 높게 측정되었으며, 이는 이른 디스크 분해와 관련된 증가된 자기장 활성과 관련이 있음을 지지한다.
• 관측된 주기 차이가 초기 회전 주기의 차이로만 설명될 수 없으며, 증가된 디스크 분해가 관측된 주기 불일치의 주요 원인임을 지지한다.
• 향후 이 시스템의 행성 형성은 짧은 디스크 수명로 인해 핵 축적 메커니즘보다는 중력 불안정성에 의해 제한될 가능성이 높다.