[논문 리뷰] Rotating Massive Main-Sequence Stars I: Grids of Evolutionary Models and Isochrones

I. Brott, S. E. de Mink외 7명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2011. 02. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 51인용 수 403

한 줄 요약

이 논문은 VLT-FLAMES 조사 데이터를 사용하여 校정된 VLT-FLAMES 조사 데이터를 사용하여 회전하는 거대 주계열 별의 진화 모델과 등온선을 포괄적으로 제시한다. 저자는 표면 중력이 낮을 때 관측된 회전 속도 감소를 통해 대류 초월 현상을 校정하는 새로운 방법을 제안하며, 자전 혼합 효과를 정량화하여 빠르게 자전하는 별들이 낮은 금속성 환경(예: SMC 및 LMC)에서도 초기 은하 금속성 수준을 초월하는 표면 질소 농도를 보이는 것으로 밝혀내었다. 이는 거의 화학적으로 균일한 진화를 겪는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We present a dense grid of evolutionary tracks and isochrones of rotating massive main-sequence stars. We provide three grids with different initial compositions tailored to compare with early OB stars in the Small and Large Magellanic Clouds and in the Galaxy. Each grid covers masses ranging from 5 to 60 Msun and initial rotation rates between 0 and about 600 km/s. To calibrate our models we used the results of the VLT-FLAMES Survey of Massive Stars. We determine the amount of convective overshooting by using the observed drop in rotation rates for stars with surface gravities log g < 3.2 to determine the width of the main sequence. We calibrate the efficiency of rotationally induced mixing using the nitrogen abundance determinations for B stars in the Large Magellanic cloud. We describe and provide evolutionary tracks and the evolution of the central and surface abundances. In particular, we discuss the occurrence of quasi-chemically homogeneous evolution, i.e. the severe effects of efficient mixing of the stellar interior found for the most massive fast rotators. We provide a detailed set of isochrones for rotating stars. Rotation as an initial parameter leads to a degeneracy between the age and the mass of massive main sequence stars if determined from its observed location in the Hertzsprung-Russell diagram. We show that the consideration of surface abundances can resolve this degeneracy.

연구 동기 및 목표

• 다양한 금속성에서 자전하는 거대 주계열 별에 대한 밀도 높은 진화 모델 격자를 개발하기 위해.
• 표면 중력 로그 g < 3.2인 B형 별에서 관측된 회전 속도 감소를 이용해 대류 초월 현상을 校정하여 자전 진화와 주계열 별 너비 간의 연관성을 설정하기 위해.
• 대마젤란운(SMC)의 거대 별에서의 질소 농도 측정치를 사용하여 자전 혼합 효율성을 정량화하기 위해.
• 자전을 주요 초기 조건으로 고려한 세부적인 등온선을 제공하여 허츠프루ング-루소도에서 질량-나이의 혼동을 해결하기 위해.
• 질량과 자전 범위 전반에서 CNO, 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B), 플루오르(F), 나트륨(Na)의 표면 농도 진화를 예측하기 위해.

제안 방법

• 초기 자전 속도가 0에서 600 km/s인 5에서 60 M⊙ 사이의 별에 대해 진화 궤적을 계산하였다.
• 은하, 대마젤란운(LMC), 소마젤란운(SMC)의 금속성에 해당하는 세 가지 초기 조성 조합을 사용하였다.
• 표면 중력 로그 g < 3.2에서 관측된 투영 자전 속도 감소를 기반으로 초월 파라미터(α_ov)를 校정하여, 압력 척도 높이 0.34 ± 0.1로 도출하였다.
• 대마젤란운의 B형 별에서의 질소 표면 농도 데이터를 사용하여 자전 혼합 효율성을 校정하였으며, 모델 예측이 관측과 일치하도록 하였다.
• 진화 궤적에 연령과 자전을 파라미터로 조합하여 등온선을 생성하였고, 허츠프루ング-루소도에서 시퀀스의 넓어진 형태를 보였다.
• CNO, 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B), 플루오르(F), 나트륨(Na)의 표면 농도 진화를 추적하여 시간에 따른 자전 혼합의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대 주계열 별에서 적절한 대류 초월 수준은 무엇이며, 어떻게 관측적으로 제약을 받을 수 있는가?
• RQ2 자전 혼합은 다양한 금속성에서 거대 별의 표면 농도, 특히 질소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가장 거대하고 가장 빠르게 자전하는 별들에서 자전은 어느 정도까지 거의 화학적으로 균일한 진화를 유도하는가?
• RQ4 표면 농도와 투영 자전 속도는 허츠프루ング-루소도를 사용할 때 질량-나이의 혼동을 어떻게 해소할 수 있는가?
• RQ5 자전하는 별의 예측 등온선은 비자전 별 등온선과 비교해 빛강도-효과 온도 공간에서 위치와 산포도 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 표면 중력 로그 g < 3.2에서 관측된 자전 속도 감소를 기반으로 대류 초월 파라미터는 압력 척도 높이 0.34 ± 0.1로 校정되었다.
• SMC 및 LMC의 15 및 40 M⊙ 자전 별 모델은 낮은 초기 금속성에도 불구하고, 최종 주계열 단계에서 초기 은하 금속성 수준을 초월하는 표면 질소 농도에 도달한다.
• 초기 자전 속도가 400–500 km/s인 별들은 4 Myr에 주계열에 머물러 있는 반면, 비자전 별 중 50–60 M⊙는 이미 진화를 끝마쳤으며, 이는 자전으로 인한 주계열 수명 연장의 결과이다.
• LMC에서 약 35 M⊙에서 비자전 등온선의 붕소 농도 급감은 외부 층을 제거하는 효율적인 항성풍 질량 손실과 관련이 있다.
• 가장 거대하고 가장 빠르게 자전하는 별들에서는 내부 혼합으로 인해 조성이 균일화되어 핵 진화가 지연되는 거의 화학적으로 균일한 진화가 관측된다.
• 자전하는 별의 등온선는 고정된 빛강도에서 효과 온도 범위가 넓게 퍼져 있어, 표면 농도 제약 조건이 추가로 제공되지 않는 한 허츠프루ング-루소도만으로는 유일한 나이-질량 결정이 불가능하다.