[논문 리뷰] Rotational velocities of A-type stars IV. Evolution of rotational velocities

J. Zorec, F. Royer|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 10.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 68인용 수 115

한 줄 요약

이 연구는 표면 회전의 질량 및 연령 의존적 진화를 조사하기 위해 2,014개의 A형 항성의 회전 속도를 분석한다. 항성 진화 모델과 광도 측정 데이터를 사용하여 질량 <2.5 M☉인 항성들은 주 시퀀스에서 단조로운 속도 증가를 보이며, 더 질량이 큰 항성들(1.7–3.2 M☉)은 초기에 강한 속도 증가를 보인 후 주 시퀀스의 나머지 기간 동안 거의 일정한 회전을 유지함으로써 주 시퀀스 기간 내내 비균일한 회전이 일어나고 있음을 시사한다. 주요 발견은 관측된 회전 진화가 이론적 예측과 상당한 차이를 보이며, 항성들이 주 시퀀스에 진입할 때 임계 강체 회전자에 비해 낮은 각운동량을 가지고 시작하고 주 시퀀스 기간 내내 특성 시간스케일 약 ~0.2 tMS의 비균일한 회전자로 진화한다는 것이다.

ABSTRACT

In previous works of this series, we have shown that late B- and early A-type stars have genuine bimodal distributions of rotational velocities and that late A-type stars lack slow rotators. The distributions of the surface angular velocity ratio Ω/Ω_crit (Ω_crit is the critical angular velocity) have peculiar shapes according to spectral type groups, which can be caused by evolutionary properties. We aim to review the properties of these rotational velocity distributions in some detail as a function of stellar mass and age. We have gathered v sin i for a sample of 2014 B6- to F2-type stars. We have determined the masses and ages for these objects with stellar evolution models. The (Teff, log L/Lsun)-parameters were determined from the uvby-βphotometry and the HIPPARCOS parallaxes. The velocity distributions show two regimes that depend on the stellar mass. Stars less massive than 2.5 Msun have a unimodal equatorial velocity distribution and show a monotonical acceleration with age on the main sequence (MS). Stars more massive have a bimodal equatorial velocity distribution. Contrarily to theoretical predictions, the equatorial velocities of stars from about 1.7 Msun to 3.2 Msun undergo a strong acceleration in the first third of the MS evolutionary phase, while in the last third of the MS they evolve roughly as if there were no angular momentum redistribution in the external stellar layers. The studied stars might start in the ZAMS not necessarily as rigid rotators, but with a total angular momentum lower than the critical one of rigid rotators. The stars seem to evolve as differential rotators all the way of their MS life span and the variation of the observed rotational velocities proceeds with characteristic time scales δ(t)\sim 0.2 t_MS, where t_MS is the time spent by a star in the MS.

연구 동기 및 목표

• A형 항성의 표면 회전 속도 분포가 질량과 연령에 따라 어떻게 변화하는지 조사하기.
• 관측된 회전 행동이 각운동량 재분배 이론 예측과 일치하는지 확인하기.
• 항성들이 주 시퀀스에 진입할 때 임계 강체 회전자 한계 이하의 각운동량을 가지고 시작하는지 평가하기.
• 비균일한 회전이 주 시퀀스 기간 동안 관측된 표면 속도를 어떻게 형성하는지 검토하기.

제안 방법

• 고정밀 광도 측정과 HIPPARCOS 파라렐랙스를 활용해 B6–F2형 항성 2,014개의 v sin i 측정값을 확보.
• uvby–β 광도 측정을 통해 유효 온도와 광도를 유도하고 항성 진화 모델을 통해 질량과 연령를 산정.
• 질량과 진화 단계(t/tMS)에 따라 표면 회전 속도 분포를 맵핑하고 단모드 및 이모드 행동을 구분.
• 관측된 회전 진화를 각운동량 재분배 이론 모델과 비교하며, 특히 질량이 큰 항성에서의 이격 현상을 집중적으로 분석.
• 쉘라라르 유사한 회전을 가정해 내부 각운동량 프로파일을 추정하고 강체 회전자와 비균일 회전자 모델의 한계를 시험.
• 빠른 회전 항성에서 복사-대류 이분법의 잠재적 영향과 von Zeipel 계수에 대한 영향을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 A형 항성의 표면 회전 속도 분포는 항성 질량과 연령에 따라 체계적으로 변화하는가?
• RQ2 A형 항성의 관측된 회전 진화는 각운동량 재분배 이론 모델과 일치하는가?
• RQ3 항성들이 주 시퀀스에 진입할 때 임계 강체 회전자 한계 이하의 각운동량을 가지고 시작하는가?
• RQ4 항성들이 주 시퀀스 수명 동안 강체 회전자가 아니라 비균일 회전자로 진화하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 관측된 표면 속도 진화를 설명할 수 있는 내부 회전 프로파일은 무엇이며, 특히 질량이 큰 A형 항성에서 어떤가?

주요 결과

• 질량 <2.5 M☉인 항성들은 단모드의 등자속도 분포를 보이며 주 시퀀스 전체 기간 동안 단조로운 속도 증가를 보인다.
• 질량 1.7–3.2 M☉인 항성들은 주 시퀀스의 첫 1/3 기간 동안 강한 초기 속도 증가를 보이다가 나머지 2/3 기간 동안 거의 일정한 회전을 유지하며, 각운동량 재분배가 최소한임을 시사한다.
• 관측된 회전 진화는 이론 모델과 상당한 차이를 보이며, 특히 3 M☉ 항성의 주 시퀀스 첫 반기 동안 뚜렷한 이격 현상이 나타난다.
• 연구된 모든 질량의 항성들은 주 시퀀스에 진입할 때 강체 회전자에 대한 임계 값 이하의 총 각운동량을 가지고 있을 가능성이 높다.
• 관측된 표면 속도 변화의 특성 시간스케일은 δt ≈ 0.2 tMS이며, 이는 질량 의존적 진화 시간스케일을 시사한다.
• 주 시퀀스의 끝부분에서 질량이 큰 항성(≥2.5 M☉)은 강체 임계 회전자가 유지할 수 있는 회전 에너지보다 더 많은 회전 에너지를 가지며, 이는 강력한 비균일 회전자로 진화한다는 것을 확인한다.