[논문 리뷰] Seismic diagnostics for transport of angular momentum in stars 1. Rotational splittings from the PMS to the RGB

J. P. Marques, Goupil, M. J.외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 82인용 수 140

한 줄 요약

이 연구는 태양 유사성 항성에서 주계열 전기에서 적색거성 가지로의 진화를 통해 진동학적 진단을 이용하여 회전 분열을 조사하여 각운동량 운반을 제약한다. 표준 모델이 핵의 회전을 과도하게 예측하는 것으로 나타났으며, 이는 수평 난류 점성계수가 과소평가되었거나 관측된 적색거성의 느린 핵 회전을 설명하기 위해 추가 물리적 메커니즘이 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

Rotational splittings are currently measured for several main sequence stars and a large number of red giants with the space mission Kepler. This will provide stringent constraints on rotation profiles. Our aim is to obtain seismic constraints on the internal transport and surface loss of angular momentum of oscillating solar-like stars. To this end, we study the evolution of rotational splittings from the pre-main sequence to the red-giant branch for stochastically excited oscillation modes. We modified the evolutionary code CESAM2K to take rotationally induced transport in radiative zones into account. Linear rotational splittings were computed for a sequence of $1.3 M_{\odot}$ models. Rotation profiles were derived from our evolutionary models and eigenfunctions from linear adiabatic oscillation calculations. We find that transport by meridional circulation and shear turbulence yields far too high a core rotation rate for red-giant models compared with recent seismic observations. We discuss several uncertainties in the physical description of stars that could have an impact on the rotation profiles. For instance, we find that the Goldreich-Schubert-Fricke instability does not extract enough angular momentum from the core to account for the discrepancy. In contrast, an increase of the horizontal turbulent viscosity by 2 orders of magnitude is able to significantly decrease the central rotation rate on the red-giant branch. Our results indicate that it is possible that the prescription for the horizontal turbulent viscosity largely underestimates its actual value or else a mechanism not included in current stellar models of low mass stars is needed to slow down the rotation in the radiative core of red-giant stars.

연구 동기 및 목표

• 진동학 관측을 통해 저질량 항성에서 내부 운반과 표면 손실을 고려하여 각운동량 운반을 제약한다.
• 주계열 전기에서 적색거성 가지로의 관측된 회전 분열을 재현하는 데 있어 현재의 항성 모델의 타당성을 시험한다.
• 적색거성 항성에서 예측된 핵 회전 속도와 관측된 핵 회전 속도 사이의 격리점을 규명한다.
• 중심순환운동, 기울기 난류 및 대체 운반 메커니즘의 역할을 진동학 데이터를 설명하는 데 평가한다.

제안 방법

• 회전에 의해 유도되는 운반을 고려하기 위해 CESAM2K 항성 진화 코드를 수정하였다.
• 주계열 전기에서 적색거성 가지까지의 1.3 M☉ 진화 시퀀스에 대해 선형 회전 분열을 계산하였다.
• 자기일관된 진화 모델에서 회전 프로파일을 유도하고 선형 등온진동 계산에서 고유함수를 도출하였다.
• 수평 확산성에 대해 Mathis 등 (2004)의 난류 점성계수를, 수직 확산성에 대해 Talon & Zahn (1997)의 점성계수를 적용하였다.
• 각운동량 추출에 있어 Goldreich-Schubert-Fricke 불안정성 기준을 평가하기 위해 적용하였다.
• 수평 난류 점성계수를 두 배수 증가시켜 핵 회전에 미치는 영향을 시험하기 위해 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 표준 항성 모델은 진동학 관측에 비해 적색거성 항성에서 핵 회전 속도를 과도하게 높게 예측하는가?
• RQ2 중심순환운동과 기울기 난류는 저질량 항성에서 관측된 회전 분열을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ3 Goldreich-Schubert-Fricke 불안정성이 모델과 관측치를 조율하기에 충분한 각운동량 추출을 제공하는가?
• RQ4 수평 난류 점성계수를 두 배수 증가시키면 예측된 핵 회전 속도가 관측치와 일치하도록 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 현재 1차원 항성 모델에 누락된 물리적 메커니즘은 무엇이며, 저질량 적색거성에서 느린 핵 회전을 설명하기 위해 필요한가?

주요 결과

• 중심순환운동과 기울기 난류만으로는 적색거성 모델의 핵 회전 속도가 진동학 관측치보다 너무 높게 나타난다.
• Goldreich-Schubert-Fricke 불안정성은 모델과 관측치 사이의 격리점을 해소하기에 충분한 각운동량을 추출하지 못한다.
• 수평 난류 점성계수를 두 배수 증가시키면 적색거성 가지에서 중심 회전 속도가 크게 감소한다.
• 결과는 표준 수평 난류 점성계수의 설정이 항성 내부에서 실제 값보다 크게 과소평가되어 있음을 시사한다.
• 관측된 저질량 적색거성의 느린 핵 회전을 설명하기 위해 현재의 1차원 항성 모델에 추가로 모델링되지 않은 각운동량 운반 메커니즘이 필요할 수 있다.
• 진동학적 진단은 내부 회전 프로파일에 강력한 제약을 제공하며, 현재 항성 진화 모델의 한계를 부각시킨다.