[논문 리뷰] Suppression of lithium depletion in young low-mass stars from fast rotation

T. Constantino, I. Baraffe외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 142인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 3차원 유체역학 시뮬레이션을 바탕으로, 젊은 저질량 항성에서의 빠른 회전이 1차원 별 모델 내에서 대류 안정성 기준과 온도 기울기를 수정함으로써 리튬 소실을 억제함을 제안한다. 그 결과, 대류권이 얕아지고 기저 온도가 낮아져 리튬 연소 속도가 충분히 감소하여, 추가적인 혼합 메커니즘을 요구하지 않고도 젊은 산란성군에서 관측된 리튬-회전 상관관계를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

We compute rotating 1D stellar evolution models that include a modified temperature gradient in convection zones and criterion for convective instability inspired by rotating 3D hydrodynamical simulations performed with the MUSIC code. In those 3D simulations we found that convective properties strongly depend on the Solberg-H{\o}iland criterion for stability. We therefore incorporated this into 1D stellar evolution models by replacing the usual Schwarzschild criterion for stability and also modifying the temperature gradient in convection zones. We computed a grid of 1D models between 0.55 and 1.2 stellar masses from the pre-main sequence to the end of main sequence in order to study the problem of lithium depletion in low-mass main sequence stars. This is an ideal test case because many of those stars are born as fast rotators and the rate of lithium depletion is very sensitive to the changes in the stellar structure. Additionally, observations show a correlation between slow rotation and lithium depletion, contrary to expectations from standard models of rotationally driven mixing. By suppressing convection, and therefore decreasing the temperature at the base of the convective envelope, lithium burning is strongly quenched in our rapidly rotating models to an extent sufficient to account for the lithium spread observed in young open clusters.

연구 동기 및 목표

• 표준 별 모델이 빠른 회전 항성에서 리튬 소실 증가를 예측하는 데 반해 관측 결과는 반대 경향을 보임에 따라 이 견해의 괴리를 해결하기 위함.
• 3차원 유체역학 시뮬레이션의 통찰을 활용하여, 회전이 저질량 항성에서 대류 안정성과 온도 기울기를 어떻게 변화시키는지 조사하기 위함.
• 수정된 대류 기준이 펠리아데스와 M35와 같은 젊은 산란성군에서 관측된 리튬 농도 분포를 재현할 수 있는지 테스트하기 위함.
• 전주계 및 주계열 단계 동안 회전이 리튬 소실 속도에 미치는 영향을 평가하기 위함.

제안 방법

• MUSIC 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션에서 유도된 Solberg-Høiland 기준을 영감으로 삼아 수정된 대류 안정성 기준을 통합함.
• 기존의 Schwarzschild 기준을 대체하여, 회전에 따라 변하는 안정성 조건을 도입하여 대류 발생의 임계값을 높임.
• 대류 영역 내 온도 기울기를 수정하여, 대류 효율성에 대한 회전의 영향을 반영함.
• 전주계에서 주계열 종료까지 0.55에서 1.2 M⊙ 사이의 1차원 별 진화 모델 격자를 계산함.
• 고정된 초기 조성과 태양의 성질을 일치시키기 위해 혼합길이 파ameter를 校정함.
• 기저 대류권에서의 온도 민감도가 매우 높은 7Li(p,α)4He 반응 속도를 추적하여 리튬 소실 속도를 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 회전은 저질량 항성에서 대류 안정성과 온도 기울기를 어떻게 변화시킬까?
• RQ2 회전에 의해 수정된 대류 기준이 젊은 저질량 항성에서 리튬 소실을 억제하여 관측된 경향과 일치시킬 수 있을까?
• RQ3 수정된 안정성 기준은 표준 모델 대비 리튬 연소를 얼마나 줄일 수 있을까?
• RQ4 리튬 소실 억제 효과는 전주계 단계에서 특히 강한 회전 속도에 크게 의존하는가?
• RQ5 대류권 깊이 및 온도 기울기 변화는 자외선 차폐나 자기장 억제와 같은 다른 제안된 메커니즘과 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• 수정된 안정성 기준은 기저 대류권 온도를 낮춤으로써 빠른 회전 모델에서 리튬 소실을 감소시켜 7Li(p,α)4He 반응 속도를 억제함.
• 회전 주기가 ≤0.5일일 경우에 리튬 연소 억제 효과가 가장 강하며, 이때 구조적 변화가 뚜렷해짐.
• 모델에서 유도된 리튬 농도 분포가 펠리아데스와 M35와 같은 젊은 산란성군에서 관측된 분포와 일치함.
• 대류권 아래의 혼합 체계 선택과 무관하게 효과가 유지되어, 다양한 물리적 처리 방식에 대해 강건함을 보임.
• 온도 기울기와 대류권 깊이가 모두 회전으로 인해 감소하며, 이 변화는 Ω² 비례로 발생하여 온도 민감도가 높은 리튬 연소 속도에 크게 영향을 줌.
• 추가적인 회전 혼합 또는 자기장 조건 없이도 관측된 리튬과 회전 간의 반비례 상관관계를 모의 실험으로 재현함.