[논문 리뷰] Rotating massive stars through the ages, with applications to WR stars, Pop III stars and Gamma Ray Bursts

A. Maeder, G. Meynet|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 볼드-레이어드 스타, 3세대 별, 장수명 감마선 폭발의 원천이 되는 별을 포함한 다양한 별 집단에 대해 관측 데이터와의 맞춤을 크게 향상시키는 회전하는 거대 별 모델을 제시한다. 자세한 혼합, 수평 순환, 비등방성 질량 손실을 고려함으로써, 비회전 모델에 비해 표면 농도 비정상성, 표면 속도 변화, 진화 궤적을 더 정확히 설명할 수 있으며, 특히 저금속도 환경에서 두드러진다.

ABSTRACT

This article first reviews the basic physics of rotating stars and their evolution. We examine in particular the changes of the mechanical and thermal equilibrium of rotating stars. An important (predicted and observed) effect is that rotating stars are hotter at the poles and cooler at the equator. We briefly discuss the mass loss by stellar winds, which are influenced by the anisotropic temperature distribution. These anisotropies in the interior are also driving circulation currents, which transports the chemical elements and the angular momentum in stars. Internal differential rotation, if present, creates instabilities and mixing, in particular the shear mixing, the horizontal turbulence and their interactions. A major check of the model predictions concerns the changes of the surface abundances, which are modified by mass loss in the very massive stars and by rotational mixing in O- and B-type stars. We show that the observations confirm the existence of rotational mixing, with much larger effects at lower metallicities. We discuss the predictions of stellar models concerning the evolution of the surface velocities, the evolutionary tracks in the HR diagram and lifetimes, the populations of blue, red supergiants and Wolf-Rayet stars, and the progenitors of type Ibc supernovae. We show, that in many aspects, rotating models provide a much better fit than non-rotating ones. Using the same physical ingredients as those which fit the best the observations of stars at near solar metallicities, we explore the consequences of rotating models for the status of Be stars, the progenitors of Gamma Ray Bursts, the evolution of Pop III stars and of very metal poor stars, the early chemical evolution of galaxies, the origin of the C-enhanced Metal Poor stars (CEMP) and of the chemical anomalies in globular clusters.

연구 동기 및 목표

• 비회전 별 진화 모델의 한계를 보완하기 위해 회전을 핵심 물리적 메커니즘으로 통합하는 것.
• 거대 별의 관측된 표면 농도, 표면 속도, 진화 궤적 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• 특히 저금속도 환경에서 우주의 시간에 따라 거대 별의 진화를 형성하는 데서 회전의 역할을 조사하는 것.
• 월프-레이트 별, 감마선 폭발 원천, 저금속 별에서의 화학 비정상성 형성에 있어서 회전의 영향을 탐색하는 것.
• 회전과 질량 손실이 별의 핵합성과 은하의 초기 화학 진화에 미치는 병합 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 유동성 어두움과 온도의 비대칭성을 기술하기 위해 유동성 어두움 이론을 사용하여 도는 별의 중력 어두움과 온도 비대칭성을 모델링하는 것.
• 껍질형 회전을 도입하여 비균일한 회전과 내부 혼합, 각운동량 이동에 미치는 영향을 시뮬레이션하는 것.
• 회전 불안정성에 의해 유도되는 주요 운반 메커니즘으로서 수평 순환과 비틀림 혼합을 통합하는 것.
• 타일러-스프루트 다이너모 모델을 사용하여 복사 영역 내에서 비균일한 회전과 자기장 상호작용을 탐색하는 것.
• 도는 별의 온도와 중력 변화로 인한 비등방성 질량 손실을 고려한 복사력 기반 별풍 모델을 적용하는 것.
• 관측된 표면 농도, 주계열의 너비, 간섭계 기반 별의 형태, 인구 비율(예: 파랑 초거성과 빨간 초거성의 비율)에 기반해 모델을 校정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전 혼합과 수평 순환은 저금속도에서 O형 및 B형 별의 표면 농도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 회전은 거대 별과 비형 별에서 관측된 질소와 He 과잉을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ3 회전 모델은 오랫동안 지속된 월프-레이트 별 진화 문제와 그 관측 인구에 대한 해결책을 제공할 수 있는가?
• RQ4 장수명 감마선 폭발의 원천과 콜라프서의 형성에 있어서 회전의 역할은 무엇인가?
• RQ5 회전 모델은 핵합성 수확량과 탄소 과잉 저금속 별(CEMP 별) 및 군집 내 화학 비정상성의 기원에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 회전 모델은 비회전 모델에 비해 관측된 표면 농도 비정상성—특히 질소와 He 과잉—을 더 정확히 재현하며, 저금속도에서 효과가 더 두드러진다.
• 회전 모델은 Be 별의 관측된 표면 속도 변화와 임계 회전에 가까워지는 경향을 잘 재현하며, 특히 저금속도 환경에서 뚜렷하다.
• 회전 모델은 파랑 초거성 대 빨간 초거성의 비율을 높게 예측하고, 월프-레이트 별의 관측 인구 비율과 잘 맞추어져 오랫동안 지속된 모순을 해결한다.
• 임계 회전 상태에서 복사력 기반 별풍과 기계적 질량 손실이 증가함으로써 회전이 질량 손실을 증폭시키며, 저금속도 별에서 콜라프서와 장수명 감마선 폭발의 형성 가능성을 높인다.
• 저금속도에서 회전 혼합은 13C, 14N, 22Ne의 상당량을 생성하여 CEMP 별과 군집 내 화학 비정상성의 기원을 뒷받침한다.
• 모델은 고금속도에서는 강한 별풍으로 인해 각운동량이 더 효율적으로 운반되고 제거되어 핵의 회전 속도가 느려지고 금속-rich 영역에서 콜라프서 형성 확률이 감소함을 보여준다.