[논문 리뷰] Populations of rotating stars. - I. Models from 1.7 to 15 Msun at Z = 0.014, 0.006, and 0.002 with {\Omega}/{\Omega}crit between 0 and 1

C. Georgy, Sylvia Ekström외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 10.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 28인용 수 124

한 줄 요약

이 논문은 금속성 Z = 0.014, 0.006, 0.002에서 1.7–15 M⊙ 별에 대해 최대 임계 속도의 95%까지의 초기 회전 속도를 가진 270개의 회전하는 별 진화 모델의 종합적인 격자를 제시한다. 임계 회전 중 각운동량 손실과 적도 질량 손실을 추적하는 개선된 제네바 별 진화 코드를 사용하여, 이 연구는 빠르게 회전하는 저질량 별(1.7 M⊙)이 작은 대류 핵을 형성하고, 금속 농도가 낮은 별(Z = 0.002)이 중간 주계열에서 강한 질소 농도 증가(최대 0.4 dex)를 보이며, 고속도에서의 효율적인 회전 혼합으로 인해 탄소와 산소의 배출율이 증가하는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

B-type stars are known to rotate at various velocities, including very fast rotators near the critical velocity as the Be stars. In this paper, we provide stellar models covering the mass range between 1.7 to 15 Msun, which includes the typical mass of known Be stars, at Z = 0.014, 0.006, and 0.002 and for an extended range of initial velocities on the zero-age main sequence. We used the Geneva stellar-evolution code, including the effects of shellular rotation, with a numerical treatment that has been improved so the code can precisely track the variation in the angular momentum content of the star as it changes under the influence of radiative winds and/or mechanical mass loss. We discuss the impact of the initial rotation rate on the tracks in the Hertzsprung-Russell diagram, the main-sequence (MS) lifetimes, the evolution of the surface rotation and abundances, as well as on the ejected masses of various isotopes. Among the new results obtained from the present grid we find that 1) fast-rotating stars with initial masses around 1.7 Msun present at the beginning of the core hydrogen-burning phase quite small convective cores with respect to their slowly rotating counterparts. This fact may be interesting to keep in mind in the framework of the asteroseismic studies of such stars. 2) The contrast between the core and surface angular velocity is higher in slower rotating stars. The values presently obtained are in agreement with the very few values obtained for B-type stars from asteroseismology. 3) At Z = 0.002, the stars in the mass range of 1.7 to 3 Msun with a mean velocity on the MS of the order of 150 km/s show N/H enhancement superior to 0.2 dex at mid-MS, and superior to 0.4 dex at the end of the MS phase. At solar metallicity the corresponding values are below 0.2 dex at any time in the MS.

연구 동기 및 목표

• B형 별 및 Be 별의 질량 범위를 커버하는 상세하고 고해상도의 회전 별 모델 격자를 제공하기 위해.
• 임계 속도에 가까운 별에서 각운동량 손실과 적도 질량 손실을 개선된 방식으로 추적하기 위해.
• 초기 회전 속도와 금속성의 별 진화, 표면 농도 및 질량 분출에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 초기 회전 및 금속성 분포를 반영한 합성 성운 합성에 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 각운동량 진화에 대해 개선된 수치 처리를 적용한 셸러 회전을 사용한 제네바 별 진화 코드를 사용하였다.
• 특히 임계 회전 단계에서 복사 및 기계적 질량 손실의 이방성(비대칭성)을 통합하였다.
• 주계열 기간 내내 표면 속도, 효율 온도 및 화학 농도(N, C, O)의 진화를 추적하였다.
• 수정된 풍 모델을 사용하여 임계 회전 상태에 있는 별의 적도 질량 손실률을 계산하였다.
• 세 가지 금속성(Z = 0.014, 0.006, 0.002)에서 10개의 질량과 9개의 초기 회전 속도(Ω/Ωcrit = 0에서 0.95까지)로 모델을 시뮬레이션하였다.
• 비회전 모델과 고속도로 회전하는 모델 간의 수소, 헬륨, 탄소, 질소, 산소 및 CO 핵 질량의 배출 질량을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵 수소 연소 초기에 저질량(1.7 M⊙) 별에서 초기 회전 속도가 대류 핵 크기에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 특히 중간 및 주계열 말기에서 금속성의 영향을 받는 회전 별의 질소 표면 농도 증가 정도는 어떻게 되는가?
• RQ3 회전 혼합이 다양한 금속성과 회전 속도에서 탄소와 산소의 배출율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 임계 회전 상태가 적도 질량 손실과 비구형 질량 분출을 얼마나 강화하는가?
• RQ5 후주계열 진화에서의 파랑 루프는 회전 속도와 금속성에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 초기 회전 속도가 빠른 1.7 M⊙ 별은 느린 회전 별에 비해 핵 수소 연소 초기에 상당히 작은 대류 핵을 형성하며, 이는 항성진동 모델링에 관련된 결과이다.
• 더 느린 속도로 회전하는 별에서는 핵과 표면의 각속도 차이가 더 크며, 계산된 값은 B형 별의 항성진동 측정 결과와 일치한다.
• Z = 0.002일 때, 평균 주계열 표면 속도가 약 150 km·s⁻¹인 별은 주계열 말기에 질소/수소(N/H) 농도가 0.4 dex를 초과하는 증가를 보이며, 태양 금속성에서는 이러한 농도 증가가 0.2 dex 이하로 남아 있다.
• 회전 혼합은 SMC 금속성 모델(Z = 0.002)에서 초기 회전 속도가 임계 속도의 95%일 경우 탄소의 배출 질량을 최대 2.15배, 산소의 경우 최대 3.36배 증가시킨다.
• 초기 회전 속도가 임계 속도의 95%에 도달할 경우, SMC 금속성 모델(Z = 0.002)에서 CO 핵 질량은 43% 증가하고, LMC 및 은하 모델에서는 각각 27~25% 증가한다.
• Z = 0.002일 때, 초기 회전 속도 ωini > 0.60인 모든 모델이 중간 주계열에서 관측 가능한 표면 질소 농도 증가를 보이며, 태양 금속성에서는 가장 빠르게 회전하는 별들(ωini > 0.8)에서만 1.7 M⊙ 모델에서 이러한 농도 증가가 감지된다.