[논문 리뷰] Rotational mixing in low-mass stars : I Effect of the mu-gradients in main sequence and subgiant Pop I stars

A. Palacios, S. Talon외 2명|ArXiv.org|2002. 10. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 44인용 수 102

한 줄 요약

이 연구는 평균 분자량(μ) 기울기를 포함한 완전한 처리 방식으로, 도전적이고 저질량의 초기형 항성의 종합 모델을 제시한다. 이는 수직 방향의 순환, 기계적 난류, 중력 침강을 포함하며, 수평적 μ 변화에 의해 유도되는 μ-유량이 내부 회전 프로파일을 크게 형상화하고 화학적 이동을 지배함으로써, 균일 모델에서 예측된 '천천히 멈추는' 순환 현상(creeping paralysis)을 방지함으로써, 주거성 항성에서의 리튬 부족 현상의 핵심 요소를 해결한다.

ABSTRACT

We present a first set of results concerning stellar evolution of rotating low-mass stars. Our models include fully consistent transport of angular momentum and chemicals due to the combined action of rotation induced mixing (according to Maeder & Zahn 1998) and element segregation. The analysis of the effects of local variations of molecular weight due to the meridional circulation on the transport of angular momentum and chemicals are under the scope of this study. We apply this mechanism to low mass main sequence and subgiant stars of population I. We show that the so-called $μ$-currents are of major importance in setting the shape of the rotation profile, specially near the core. Furthermore, as shown by Talon & Charbonnel (1998) and Charbonnel & Talon (1999) using models without $μ$-currents, we confirm that rotation-induced mixing in stars braked via magnetic torquing can explain the blue side of the Li dip, as well as the low Li abundances observed in subgiants even when $μ$-currents are taken into account. We emphasize that $μ$ variations are not to be neglected when treating rotation-induced mixing, and that they could be of great importance for latter evolutionary stages.

연구 동기 및 목표

• 저질량 주계열 및 주거성 항성에서 평균 분자량(μ) 기울기가 회전에 의한 혼합에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 화학적으로 비균일한 영역에서 발생하는 수평적 순환에 의해 유도되는 μ-유량이 각운동량과 화학적 이동에 미치는 영향을 평가하는 것.
• μ-기울기가 포함된 회전에 의한 혼합이 주거성 항성에서 관측된 리튬 부족 현상과 낮은 표면 리튬 농도를 설명할 수 있는지 판단하는 것.
• 이전 모델에서 μ-기울기 피드백이 무시된 경우, 특히 자기 브레이킹과 비균일 회전의 맥락에서 그 타당성을 테스트하는 것.
• 균일 모델에서 예측된 '천천히 멈추는' 순환 현상이 μ-변동을 포함할 경우 실제로 발생하는지 명확히 하는 것.

제안 방법

• 연구는 Maeder & Zahn(1998)의 형식을 사용하여 각운동량과 화학적 이동을 수평 순환, 기계적 난류, 중력 침강을 통해 완전히 결합한 항성 진화 모델을 활용한다.
• 평균 분자량(μ)의 수평적 변화는 명시적으로 계산되며, 이들의 순환에 대한 피드백은 μ-유량을 통해 모델링되며, 이는 효과적 확산과 회전 프로파일을 수정한다.
• 각운동량 손실을 시뮬레이션하기 위해 자기 브레이킹을 포함하여 비균일 회전을 허용하고, 이전 연구에서 사용된 고체체 회전 가정을 피한다.
• 화학적 이동은 효과적 확산 계수를 사용하여 계산되며, μ-기울기 효과로 인해 비균일 항성에서는 난류 확산이 지배적이다.
• 모델은 리튬 부족 현상의 열 쪽에 위치한 저질량(M ≲ 2.2 M⊙) 초기형 항성에 적용되며, 하이아데스와 같은 산개성단의 관측 결과와 일치한다.
• 모델 예측를 검증하기 위해 현장 및 성단의 주거성 항성에서의 관측 리튬 농도와 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수평 순환에 의해 생성된 μ-기울기가 저질량 도전적 항성의 내부 회전 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비균일 모델과 비교했을 때, μ-유량이 복사 영역에서의 회전 혼합 효율을 얼마나 변화시키는가?
• RQ3 μ-기울기 피드백을 포함한 모델이 리튬 부족 현상의 열 쪽에 위치한 주거성 항성에서 관측된 리튬 감소를 재현할 수 있는가?
• RQ4 μ-변동을 포함함으로써 이전 균일 모델에서 예측된 '천천히 멈추는' 순환 현상이 방지되는가?
• RQ5 μ-기울기가 포함될 경우 화학 물질의 주요 이동 메커니즘이 어떻게 변화하는가—특히 난류 확산이 효과적 확산을 초월하는가?

주요 결과

• 수평 분자량 기울기로 인해 유도되는 μ-유량은 핵 부근에서 특히 내부 회전 프로파일을 형상화하는 데 핵심적이며, 더 강한 비균일 회전을 초래한다.
• μ-기울기가 존재할 경우, 균일 모델에서 예측된 '천천히 멈추는' 순환 현상이 방지되는데, 이는 비균일 회전 조건에서 Λ와 Θ의 상쇄 항목이 상쇄되지 않기 때문이다.
• 비균일 항성에서는 난류 확산 계수가 화학적 이동을 지배하는 반면, 균일 항성에서는 효과적 확산 계수가 주요 기여를 한다.
• μ-기울기 피드백을 포함한 도전적 모델은 고전적 모델보다 더 정확하게 관측된 주거성 항성의 리튬 감소를 재현하며, 표면 리튬 감소가 높은 효과적 온도(Teff > 5850 K)에서 발생한다.
• 모델은 자기 브레이킹을 포함하더라도 주거성 항성의 낮은 리튬 농도와 질량 >1.4 M⊙인 항성들 사이의 리튬 진화 산란을 성공적으로 설명한다.
• 연구는 μ-변동을 무시할 수 없으며, 혼합 효율을 크게 변화시키며 후주계열 진화에 매우 중요할 수 있음을 확인한다.