[논문 리뷰] The spin-up of contracting red supergiants

Alexander Heger, N. Langer|arXiv (Cornell University)|1998. 03. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 수축하는 빨간 초거성에서 대류권의 질량 손실 동안 운동량 보존 원리에 의해 발생하는 메커니즘을 제안한다. 별이 외부층으로부터 질량을 잃으면서도 운동량을 유지할 경우, 특정 운동량이 증가하여 표면 회전 속도가 급격히 증가한다. 이는 12 M☉ 별에서 붉은 초거성 분지에서 벗어난 후 임계 회전 속도에 도달하는 것으로 입증된다.

ABSTRACT

We report on a mechanism which may lead to a spin-up of the surface of a rotating single star leaving the Hayashi line, which is much stronger than the spin-up expected from the mere contraction of the star. By analyzing rigidly rotating, convective stellar envelopes, we qualitatively work out the mechanism through which these envelopes may be spun up or down by mass loss through their lower or upper boundary, respectively. We find that the first case describes the situation in retreating convective envelopes, which tend to retain most of the angular momentum while becoming less massive, thereby increasing the specific angular momentum in the convection zone and thus in the layers close to the stellar surface. We explore the spin-up mechanism quantitatively in a stellar evolution calculation of a rotating 12 M_sun star, which is found to be spun up to critical rotation after leaving the red supergiant branch. We discuss implications of this spin-up for the circumstellar matter around several types of stars, i.e., post-AGB stars, B[e] stars, pre-main sequence stars, and, in particular, the progenitor of Supernova 1987A.

연구 동기 및 목표

• 수축하는 빨간 초거성의 후주기 진화 단계에서의 회전 증가 메커니즘을 물리적으로 규명하는 것.
• 대규모 별에서 대류권의 질량 손실이 운동량 재분포에 어떻게 영향을 주는지 이해하는 것.
• 후-AGB 별, B[e] 별, 그리고 SN 1987A의 원형 별에서의 표면 회전 속도 향상이 진화 및 원형성 환경에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 12 M☉ 별의 별진화 모델에서의 회전 증가 효과를 정량화하는 것.
• 질량 손실이 붉은 초거성 단계를 떠난 후 별을 임계 회전 상태로 이끌 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 질량 손실 중 운동량 이행을 분석하기 위해 강체로 회전하는 대류 별의 외피를 모델링하는 것.
• 구형 대칭 프레임워크 내에서 운동량 보존을 적용하여 질량 손실에 따른 특정 운동량 변화를 추적하는 것.
• 12 M☉ 회전하는 별의 진화를 붉은 초거성 단계를 거쳐 시뮬레이션하기 위해 별진화 코드를 사용하는 것.
• 수축과 질량 손실 중 대류권과 표면층의 거동을 분석하여 회전 증가율을 결정하는 것.
• 이론적 예측을 후-AGB 별과 SN 1987A 원형 별의 관측 제약 조건과 비교하는 것.
• 외피의 운동량 진화를 후처리 분석하여 회전 증가 효과를 정량화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수축하는 빨간 초거성의 외부층에서 질량 손실이 수축에 기인하는 것보다 더 큰 표면 회전 증가를 유도할 수 있는가?
• RQ2 대류권에서 운동량 보존이 질량 손실 중 특정 운동량에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 12 M☉ 별이 붉은 초거성 분지를 떠난 후 질량 손실로 인해 임계 회전 상태에 도달할 정도로 회전이 증가할 수 있는가?
• RQ4 이 회전 증가 메커니즘이 B[e] 별과 후-AGB 별의 원형성 환경에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 메커니즘이 SN 1987A 원형 별의 관측된 빠른 회전을 타당하게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 수축하는 빨간 초거성의 외부층에서 질량 손실은 대류권 내 운동량 보존에 의해 상당한 표면 회전 증가를 유도할 수 있다.
• 질량 손실이 진행되면서 대류권 내 특정 운동량이 증가하여 표면 회전 속도가 향상된다.
• 12 M☉ 별진화 모델에서 별은 붉은 초거성 분지를 떠난 후 임계 회전 상태에 도달한다.
• 질량 손실 중 운동량을 유지함으로써 수축에 기인하는 것보다 더 강한 회전 증가 효과가 발생한다.
• 이 메커니즘은 후-AGB 별과 B[e] 별의 빠른 회전에 대해 설득력 있는 설명을 제공한다.
• 이 연구 결과는 SN 1987A의 원형 별이 붉은 초거성 단계 동안 이 메커니즘에 의해 회전이 증가했을 가능성이 제기된다.