[논문 리뷰] Magnetic Inhibition of Convection and the Fundamental Properties of Low-Mass Stars. III. A Consistent 10 Myr Age for the Upper Scorpius OB Association

Gregory A. Feiden|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 27.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 61인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저질량 항성에서 대류의 자기적 억제가 Upper Scorpius와 같은 청소년 성운에서 오랫동안 지속된 연령 불일치 문제를 해결함을 제안한다. 더운 별들보다 차가운 별들이 체계적으로 더 어린 것으로 보이는 현상이다. 표면 자기장 강도 약 2.5 kG의 사전 추정치를 바탕으로 자기적 항성 진화 모델을 적용함으로써, A형에서 M형까지의 스펙트르 유형 전반에서 일관된 10 Myr 연령을 도출하였으며, 쌍성의 일식 관측으로부터의 질량-반지름 관계와 허츠프루ング-루셀도 기준을 통합하였다.

ABSTRACT

When determining absolute ages of identifiably young stellar populations, results strongly depend on which stars are studied. Cooler (K, M) stars typically yield ages that are systematically younger than warmer (A, F, G) stars by a factor of two. I explore the possibility that these age discrepancies are the result of magnetic inhibition of convection in cool young stars by using magnetic stellar evolution isochrones to determine the age of the Upper Scorpius subgroup of the Scorpius-Centaurus OB Association. A median age of 10 Myr consistent across spectral types A through M is found, except for a subset of F-type stars that appear significantly older. Agreement is shown for ages derived from the Hertzsprung-Russell diagram and from the empirical mass-radius relationship defined by eclipsing multiple-star systems. Surface magnetic field strengths required to produce agreement are of order 2.5 kG and are predicted from a priori estimates of equipartition values. A region in the HR diagram is identified that plausibly connects stars whose structures are weakly influenced by the presence of magnetic fields with those whose structures are strongly influenced by magnetic fields. The models suggest this region is characterized by stars with rapidly thinning outer convective envelopes where the radiative core mass is greater than 75% of the total stellar mass. Furthermore, depletion of lithium predicted from magnetic models appears in better agreement with observed lithium equivalent widths than predictions from non-magnetic models. These results suggest that magnetic inhibition of convection plays an important role in the early evolution of low-mass stars and that it may be responsible for noted age discrepancies in young stellar populations.

연구 동기 및 목표

• K형 및 M형 항성이 A형 및 F형 항성들보다 약 2배 어린 것으로 보이는 청소년 성운에서 지속되는 연령 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 저질량 항성에서 대류의 자기적 억제가 항성 진화 모델을 왜곡하고 연령 추정치에 편향을 주는지 조사하기 위해.
• Upper Scorpius의 쌍성계에서 관측된 실증적 제약 조건을 활용하여 자기적 항성 진화 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• 청소년 항성에서 허츠프루ング-루셀도와 실증적 질량-반지름 관계로부터 유도된 상충되는 연령 추정치를 통합하기 위해.
• 관측된 리튬 소멸 패턴과 비교함으로써 자기 모델의 예측 능력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 표면 자기장 강도 약 2.5 kG의 등가분포 추정치로 校정된, 대류 억제를 포함한 자기적 항성 진화 이소클론을 적용함.
• Kepler/K2 캠프레인 2의 관측 광도 변화 곡선을 활용하여 Upper Scorpius의 일식 쌍성계의 정밀한 질량과 반지름을 도출함.
• 모델 예측 이소클론을 관측된 허츠프루ング-루셀도 위치와 질량-반지름 관계와 비교하여 일관된 연령을 추론함.
• 저질량 조기 주계열 전 항성에서 리튬 소실 패턴을 관측한 자료를 통합하여 모델 예측의 타당성을 검증함.
• 태양 금속성 조건을 가진 자기 항성 모델의 격자망을 활용하여 Upper Scorpius에 존재하는 전체 질량 범위의 항성에 대한 연령 추정치를 계산함.
• Pecaut 등(2012)의 독립적 연령 추정치(11±3 Myr)와 비교하여 결과를 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대류의 자기적 억제가 청소년 성운에서 더 차가운 별들과 더 따뜻한 별들 사이의 체계적 연령 불일치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 자기 항성 진화 모델이 일식 쌍성계에서 유도된 허츠프루ング-루셀도 기반 연령 추정치와 질량-반지름 관계 기반 연령 추정치를 통합할 수 있는가?
• RQ3 Upper Scorpius에서 A형에서 M형까지의 스펙트르 유형 전반에서 일관된 10 Myr 연령을 도출하기 위해 필요한 표면 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ4 자기 모델이 저질량 조기 주계열 전 항성에서 관측된 리튬 소실 패턴을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 항성 진화 모델에서 자기 효과를 고려할 경우, Upper Scorpius의 10 Myr 연령이 탄탄한가?

주요 결과

• 대류의 자기적 억제를 항성 모델에 포함함으로써, Upper Scorpius의 A형에서 M형까지의 스펙트르 유형 전반에서 일관된 10 Myr 연령이 도출됨.
• 허츠프루ング-루셀도와 질량-반지름 관계 기반 연령 추정치를 통합하기 위해 약 2.5 kG의 표면 자기장 강도가 필요하며, 이는 사전 추정된 등가분포 추정치와 일치함.
• 허츠프루링-루셀도와 질량-반지름 관계 기반 연령 추정치 간의 불일치는 해결됨: 비자기 모델은 K/M형 항성에 대해 약 5 Myr, 일식 쌍성계에 대해 약 8 Myr의 연령을 도출하지만, 자기 모델은 양자리에 대해 약 10 Myr의 연령을 도출함.
• 비자기 모델 대비 자기 모델이 저질량 항성에서 관측된 리튬 등가폭을 더 잘 재현함으로써, 자기적 억제가 리튬 소실에 기여한다는 것을 지지함.
• 대류 희박화가 시작되는 영역이 허츠프루링-루셀도 상에서 명확히 식별되었으며, 이는 전체 질량의 75% 이상가량을 차지하는 복사핵을 가진 항성들과 얇아지는 대류 외곽을 가진 항성들과 관련됨.
• 비자기 모델을 사용할 경우, 청소년 항성의 질량은 약 30% 과소평가되고, 거대 행성/저질량 항성의 질량은 약 35% 과소평가됨 — 이는 연령 편향에 기인함.