[논문 리뷰] Lithium-7 surface abundance in pre-MS stars. Testing theory against clusters and binary systems

E. Tognelli, S. Degl’Innocenti외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 73인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 이론적 불확실성 검증을 위해 업데이트된 별진화 모델을 사용하여 주계열 이전 (pre-MS) 별에서 리튬-7 표면 농도를 조사한다. pre-MS 및 주계열 단계 동안 혼합 길이 매개변수 (α) 를 변화시켜 분석한 결과, 더 낮은 대류 효율성 (α_PMS = 1.0) 이 젊은 산란성 은하단과 쌍성계에서 관측 결과와의 일치를 크게 향상시키며, 이는 pre-MS 단계에서의 대류 효율성이 주계열 단계보다 낮을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The disagreement between theoretical predictions and observations for surface lithium abundance in stars is a long-standing problem, which indicates that the adopted physical treatment is still lacking in some points. However, thanks to the recent improvements in both models and observations, it is interesting to analyse the situation to evaluate present uncertainties. We present a consistent and quantitative analysis of the theoretical uncertainties affecting surface lithium abundance in the current generation of models. By means of an up-to-date and well tested evolutionary code, FRANEC, theoretical errors on surface 7Li abundance predictions, during the pre-main sequence (pre-MS) and main sequence (MS) phases, are discussed in detail. Then, the predicted surface 7Li abundance was tested against observational data for five open clusters, namely Ic 2602, αPer, Blanco1, Pleiades, and Ngc 2516, and for four detached double-lined eclipsing binary systems. Stellar models for the aforementioned clusters were computed by adopting suitable chemical composition, age, and mixing length parameter for MS stars determined from the analysis of the colour-magnitude diagram of each cluster. We restricted our analysis to young clusters, to avoid additional uncertainty sources such as diffusion and/or radiative levitation efficiency. We confirm the disagreement, within present uncertainties, between theoretical predictions and 7Li observations for standard models. However, we notice that a satisfactory agreement with observations for 7Li abundance in both young open clusters and binary systems can be achieved if a lower convection efficiency is adopted during the pre-MS phase with respect to the MS one.

연구 동기 및 목표

• 주계열 이전 및 주계열 별에서 표면 7Li 농도 예측에 영향을 주는 이론적 불확실성 평가.
• 젊은 산란성 은하단과 분리된 일식 쌍성계의 관측 데이터와 표준 별진화 모델의 비교.
• 진화 단계에 따라 변화하는 혼합 길이 매개변수 (α) 가 오랫동안 지속된 리튬 소실 불일치를 해결할 수 있는지 조사.
• pre-MS와 MS 단계 간 대류 효율성의 차이가 7Li 표면 농도에 미치는 영향 평가.
• 나이, 조성, 질량이 잘 알려진 시스템을 분석하여 모델 제약 조건 개선.

제안 방법

• 진화 코드 FRANEC 를 사용하여 업데이트된 물리 입력(투명도, 반응률, 상태방정식)을 적용해 별 모델 계산.
• 다섯 개인 젊은 산란성 은하단(Ic 2602, α Per, Blanco1, 별자리 펠라스, Ngc 2516)의 관측 색-등급도도를 일치시키기 위해 주계열 단계에서 혼합 길이 매개변수 (α_MS) 캘리브레이션.
• pre-MS 진화 동안 7Li 표면 농도 예측에 대한 민감도를 평가하기 위해 다양한 α_PMS 값(예: α_PMS = 1.0) 탐색.
• 네 개인 분리된 이중선 일식 쌍성계(ASAS J052821+0338.5, EK Cep, RXJ 0529.4+0041 A, V1174 Ori)의 모델 예측과 관측 7Li 농도 비교.
• 초기 조성, 투명도, 반응률, 상태방정식의 불확실성 평가를 통해 이론적 오차 범위 정량화.
• HR도 및 이소클론 피팅을 사용해 pre-MS 별에 대한 모델 트랙이 관측 데이터와 일치하는지 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pre-MS 단계에서 더 낮은 혼합 길이 매개변수를 사용하면 이론적 7Li 표면 농도와 관측 결과 간 일치도가 향상되는가?
• RQ2 투명도, 반응률, 상태방정식 등의 물리 입력 불확실성이 7Li 농도 이론 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 젊은 산란성 은하단과 pre-MS 쌍성계에서 관측된 7Li 농도가 α_PMS 값에 대해 어느 정도 제약을 가하는가?
• RQ4 이론과 관측 간 7Li 농도 불일치의 주요 원인이 pre-MS 모델에서 잘못된 대류 효율성 가정 때문인가?
• RQ5 변화하는 대류 효율성(α_PMS ≠ α_MS) 이론이 비표준 물리학을 도입하지 않고도 리튬 딥과 pre-MS 소실 패턴을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 일정한 혼합 길이 매개변수(α_PMS = α_MS ≈ 1.68)를 사용한 표준 모델은 젊은 pre-MS 별에서 관측된 7Li 농도를 재현하지 못한다.
• pre-MS 단계에서 낮은 대류 효율성(α_PMS = 1.0)을 적용할 경우, 연구한 다섯 개인 젊은 산란성 은하단 전반에서 관측 결과와의 일치도가 크게 향상된다.
• α_PMS = 1.0 인 모델은 ASAS J052821+0338.5와 RXJ 0529.4+0041 A 쌍성계의 pre-MS 별에서 관측된 7Li 표면 농도를 잘 재현하며, 특히 하이라이 트랙 근처에서 뚜렷하다.
• EK Cep의 보조 성분에 대해서는 낮은 대류 모델(α_PMS = 1.0)이 관측 결과와 완전히 일치하지만, 큰 오차 범위로 인해 여전히 불확실성이 존재한다.
• RXJ 0529.4+0041 A의 리튬 농도 관측 불확실성(최대 0.5 dex)으로 인해 명확한 결론을 내리기 어려우며, 오직 하한선만 제공된다.
• 결과는 pre-MS 단계에서의 대류 효율성이 주계열 단계보다 낮을 수 있음을 시사하며, 진화 단계 전반에 걸쳐 일정한 α 를 가정하는 것에 도전한다.