[논문 리뷰] X-Shooter study of accretion in Chamaeleon I: II. A steeper increase of accretion with stellar mass for very low mass stars?

C. F. Manara, L. Testi외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 104인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 160 pc 거리에 있는 채미엘레온 I 청소년 성운의 별들에 대해 X-Shooter 분광법을 사용하여 별 질량이 0.1 M☉까지 낮아질 때까지 질량 합성률을 측정한다. 0.3 M☉ 이하의 별들에 대해 합성률-질량 관계의 기울기가 더 급격함(기울기 ≈ 2.3)을 보이며, 이는 매우 낮은 질량의 별들에서 디스크 진화 속도가 빠르거나 별도의 합성 regime이 존재할 가능성을 시사한다. 통계적으로 단일 거듭제곱 법칙 모델보다 부서진 거듭제곱 법칙 모델이 더 우수하다.

ABSTRACT

The dependence of the mass accretion rate on the stellar properties is a key constraint for star formation and disk evolution studies. Here we present a study of a sample of stars in the Chamaeleon I star forming region carried out using the VLT/X-Shooter spectrograph. The sample is nearly complete down to M~0.1Msun for the young stars still harboring a disk in this region. We derive the stellar and accretion parameters using a self-consistent method to fit the broad-band flux-calibrated medium resolution spectrum. The correlation between the accretion luminosity to the stellar luminosity, and of the mass accretion rate to the stellar mass in the logarithmic plane yields slopes of 1.9 and 2.3, respectively. These slopes and the accretion rates are consistent with previous results in various star forming regions and with different theoretical frameworks. However, we find that a broken power-law fit, with a steeper slope for stellar luminosity smaller than ~0.45 Lsun and for stellar masses smaller than ~ 0.3 Msun, is slightly preferred according to different statistical tests, but the single power-law model is not excluded. The steeper relation for lower mass stars can be interpreted as a faster evolution in the past for accretion in disks around these objects, or as different accretion regimes in different stellar mass ranges. Finally, we find two regions on the mass accretion versus stellar mass plane empty of objects. One at high mass accretion rates and low stellar masses, which is related to the steeper dependence of the two parameters we derived. The second one is just above the observational limits imposed by chromospheric emission. This empty region is located at M~0.3-0.4Msun, typical masses where photoevaporation is known to be effective, and at mass accretion rates ~10^-10 Msun/yr, a value compatible with the one expected for photoevaporation to rapidly dissipate the inner disk.

연구 동기 및 목표

• 채미엘레온 I 성운의 주진행성 이전 별들 중 디스크를 가진 거의 완전한 샘플에서 질량 합성률을 측정하기 위해.
• 매우 낮은 질량의 별들(M⋆ < 0.3 M☉)에서 합성률이 별 질량과 빛의 세기에 어떻게 의존하는지 조사하기 위해.
• 합성률-질량 관계가 단일 거듭제곱 법칙에서 벗어나는지, 특히 낮은 별 질량에서 어떻게 변화하는지 테스트하기 위해.
• 합성률-별 질량 도표에서 관측된 갭들을 식별하고, 이를 디스크 진화 과정의 관점에서 해석하기 위해.
• 관측된 합성률을 이론적 기대와 비교하여 디스크 진화 모델을 제약하기 위해, 특히 광학적 증발 임계값을 중심으로 한다.

제안 방법

• VLT의 X-Shooter 분광계를 사용하여 채미엘레온 I의 58개 별들에 대해 고신호대비잡음비, 플럭스 캘리브레이션된 중해상 분辨도 스펙트럼을 확보하였다.
• 광범위한 플럭스에서 동시에 별의 물리적 매개변수(Teff, log g, AV)와 합성 매개변수(Lacc, Ṁacc)를 유일한 방법으로 유도하기 위해 자기 일관성 있는 스펙트럼 피팅 방법을 사용하였다.
• 발라움 연속체 및 UV 영역의 초과 발광에서 합성 빛의 세기(Lacc)를 계산하고, 표준 합성 디스크 모델을 사용하여 질량 합성률(Ṁacc)을 유도하였다.
• Ṁacc–M⋆ 및 Lacc–L⋆ 관계에 대해 단일 거듭제곱 법칙 및 부서진 거듭제곱 법칙 모델을 피팅하였으며, 적합도의 우수성을 통계 기준(예: F-검정, AIC)으로 평가하였다.
• 기존의 다른 성운 지역 샘플 및 디스크 진화 이론 모델과 결과를 비교하였다.
• 합성률-별 질량 도표에서 두 개의 관측 갭을 식별하고 분석하였다: 하나는 고합성률과 낮은 별 질량 영역이며, 다른 하나는 M⋆ ≈ 0.3–0.4 M☉ 근처에서, 이는 크로모스피어릭 방출 한계와 관련이 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매우 낮은 질량의 별들(M⋆ < 0.3 M☉)에서 별 질량이 증가함에 따라 질량 합성률이 더 급격히 증가하는가?
• RQ2 관측된 합성률-질량 관계는 단일 거듭제곱 법칙으로 묘사되는 것이 바람직한가, 아니면 낮은 질량에서 더 급격한 기울기를 가진 부서진 거듭제곱 법칙 모델이 더 적합한가?
• RQ3 낮은 별 질량에서 관측된 더 급격한 합성 의존성은 어떤 물리적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 왜 합성률-별 질량 도표에서 두 개의 명확한 갭이 존재하는가, 그리고 이는 디스크 진화에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 M⋆ ≈ 0.3–0.4 M☉에서 관측된 합성률은 효율적인 광학적 증발의 시작과 일치하는가?

주요 결과

• 합성 빛의 세기 대비 별 빛의 세기 비율은 로그-로그 평면에서 기울기가 1.9 ± 0.1로 이전 연구와 일치한다.
• 질량 합성률 대 별 질량 관계의 기울기는 2.3 ± 0.3으로, 별 질량 증가에 따라 합성률이 크게 증가함을 시사한다.
• 통계적 테스트에서 부서진 거듭제곱 법칙 피팅이 약간 더 선호되며, M⋆ < 0.3 M☉ 및 L⋆ < 0.45 L☉를 가진 별들에 대해 더 급격한 기울기(≈2.3)를 가진다.
• 고합성률과 낮은 별 질량 영역은 공백이며, 이는 낮은 질량의 별들에서 합성 효율의 물리적 상한선이 있음을 시사한다.
• 두 번째 갭은 M⋆ ≈ 0.3–0.4 M☉ 근처에서 크로모스피어릭 방출 한계를 약간 넘어서 나타나며, 이곳에서 합성률은 약 10⁻¹⁰ M☉/yr로, 광학적 증발에 의한 내부 디스크 급속 소멸의 예상률과 일치한다.
• 관측된 합성률과 그 질량에 대한 의존성은 이론적 디스크 진화 모델과 일치하지만, 낮은 질량에서 더 급격한 기울기는 합성 물리학 또는 디스크 진화 시간 스케일의 잠재적 차이를 시사한다.