[논문 리뷰] The Monitor Project: Stellar rotation at 13~Myr: I. A photometric monitoring survey of the young open cluster h~Per

E. Moraux, S. A. Artemenko외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 13 Myr의 개방성단 h Persei에서 I-대역 다중 현장 광도 측정을 통해 586개의 저질량 항성(0.4–1.4 M☉)에 대한 회전 주기의 통계적으로 신뢰할 수 있는 측정을 처음으로 제시한다. 결과는 모든 질량에서 약 0.2에서 10일 사이의 평탄한 주기 분포를 보이며 질량에 따른 강한 의존성이 없음을 시사하며, 주계열 전 진화 단계에서 핵-대류층 분리 모델을 지지하고 있으며, 5 Myr가 넘는 기간 동안 10퍼센트 미만의 항성이 디스크에 결합된 상태로 유지됨을 나타낸다.

ABSTRACT

We aim at constraining the angular momentum evolution of low mass stars by measuring their rotation rates when they begin to evolve freely towards the ZAMS, i.e. after the disk accretion phase has stopped. We conducted a multi-site photometric monitoring of the young open cluster h Persei that has an age of ~13 Myr. The observations were done in the I-band using 4 different telescopes and the variability study is sensitive to periods from less than 0.2 day to 20 days. Rotation periods are derived for 586 candidate cluster members over the mass range 0.4<=M/Msun<=1.4. The rotation period distribution indicates a sligthly higher fraction of fast rotators for the lower mass objects, although the lower and upper envelopes of the rotation period distribution, located respectively at ~0.2-0.3d and ~10d, are remarkably flat over the whole mass range. We combine this period distribution with previous results obtained in younger and older clusters to model the angular momentum evolution of low mass stars during the PMS. The h Per cluster provides the first statistically robust estimate of the rotational period distribution of solar-type and lower mass stars at the end of the PMS accretion phase (>10 Myr). The results are consistent with models that assume significant core-envelope decoupling during the angular momentum evolution to the ZAMS.

연구 동기 및 목표

• 주계열 전 단계(PMS)의 끝단에서 저질량 항성의 각운동량 진화를 제약하기 위해, 특히 디스크 물질 붕괴가 멈춘 이후의 상황을 다루기 위함.
• 항성의 각운동량 진화에서 잘 연구되지 않은 5 Myr에서 40 Myr 사이의 연령 범위에서, 회전 주기 분포의 관측적 간극을 메우기 위함.
• 주변형성과 저질량 항성의 회전 주기 데이터를 통계적으로 신뢰할 수 있게 제공하여, 약 13 Myr 시점의 중요한 시기인 항성이 ZAMS로 자유롭게 수축하기 시작하는 순간을 다루기 위함.
• 광도 쌍성과 현장 오염물질이 젊은 성단에서의 회전 주기 분포에 미치는 영향을 조사하기 위함.

제안 방법

• CFHT/MegaCam, Maidanak 1.5m, ZTSh 2.6m, Byurakan 관측소의 1m 망원경을 활용한 h Persei의 다중 현장 광도 측정.
• 0.2일 이하에서 20일까지의 주기를 감지할 수 있도록 다수의 관측 루프 동안 I-대역 광도 측정을 수행.
• 광학 및 근적외선 색-등급도도(CMD)에서의 경험적 이소클론을 사용하여 성단 소속 후보를 선별하였으며, Besançon 은하 모델을 활용해 약 18퍼센트의 현장 오염을 추정.
• 시간 시리즈 분석 기법을 사용해 빛의 곡선에서 주기적 변동을 분석하여 항성 spots에 의한 회전 조절을 식별.
• 1일 이하의 주기를 가진 광도 쌍성을 식별하고 최종 샘플에서 제외하여 짧은 주기로 향하는 편향을 방지.
• 관측된 주기 분포와 비교하여 각운동량 진화 모델링을 수행하여 핵-대류층 분리 시기와 디스크-잠금 지속 시간을 추론.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 Myr의 개방성단 h Persei에서 저질량 항성의 회전 주기 분포는 어떻게 되며, 항성 질량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 광도 쌍성과 현장 오염물질은 젊은 성단에서 관측된 회전 주기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 핵-대류층 분리가 주계열 전 단계에서 저질량 항성의 각운동량 진화를 어떻게 형성하는가?
• RQ4 관측된 주기 분포를 바탕으로, 항성은 회전 진화 측면에서 얼마나 오랫동안 원반에 결합된 상태로 유지되는가?
• RQ5 13 Myr 시점에서 관측된 주기 분포는 ZAMS까지의 이론적 각운동량 진화 모델과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 h Persei의 저질량 항성(0.4–1.4 M☉) 586개에 대해 회전 주기를 식별하여, 주계열 전 단계 진화의 중요한 연령인 약 13 Myr에서 통계적으로 신뢰할 수 있는 첫 번째 샘플을 제공한다.
• 회전 주기 분포는 약 0.2에서 약 10일까지 범위를 가지며, 15일 근처의 느린 회전 항성들이 뚜렷한 尾를 형성하고 있으며, 상한 또는 하한의 엣지에서 질량에 따른 유의미한 의존성이 없음을 보여준다.
• 1일 이하의 주기를 가진 광도 쌍성은 주기 분포를 짧은 주기 쪽으로 크게 기울이며, 특히 질량이 1.2 M☉ 이상인 고질량 범주에서 두드러지게 나타나며, tidal 상호작용으로 인해 동기화되어 있을 가능성이 높다.
• 짧은 주기 쌍성을 제외한 나머지 508개의 주기들은 전체 질량 범위에서 놀랍도록 평탄한 분포를 보이며, 질량에 따른 강한 스핀다운 또는 스핀업 경향이 없음을 시사한다.
• 관측된 주기 분포는 핵-대류층 분리를 포함하는 모델과 일치하며, 분리 시기의 시간스케일은 표면 회전 속도의 역수에 비례한다.
• 모델링 결과는 5 Myr가 넘는 기간 동안 10퍼센트 미만의 항성이 디스크에 결합된 상태로 유지되며, 현재의 디스크 수명 추정치와 일치함을 보여주며, 약 13 Myr 시점에서 ZAMS 향한 자유 수축으로의 전환을 지지한다.