[논문 리뷰] Angular momentum redistribution by mixed modes in evolved low-mass stars. II. Spin-down of the core of red giants induced by mixed modes

K. Belkacem, J. P. Marques외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 48인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 CoRoT와 Kepler의 항성진단 관측을 통해 진화한 저질량 항성에서 혼합 모드에 의한 운동량 운반을 조사한다. 혼합 모드가 진화한 빨간 왜성에서 핵의 운동량을 효율적으로 제거함으로써 핵의 회전 속도 증가를 상쇄시킬 수 있음을 발견한다. 특히 수소 연소 층에서 그러한 효과가 두드러지며, 이는 관측된 핵의 둔화 회전을 설명할 수 있는 타당한 메커니즘을 제공한다. 그러나 퇴화된 주거성과 초기 빨간 왜성에서는 이를 충분히 설명하지 못한다.

ABSTRACT

The detection of mixed modes in subgiants and red giants by the CoRoT and \emph{Kepler} space-borne missions allows us to investigate the internal structure of evolved low-mass stars. In particular, the measurement of the mean core rotation rate as a function of the evolution places stringent constraints on the physical mechanisms responsible for the angular momentum redistribution in stars. It showed that the current stellar evolution codes including the modelling of rotation fail to reproduce the observations. An additional physical process that efficiently extracts angular momentum from the core is thus necessary. Our aim is to assess the ability of mixed modes to do this. To this end, we developed a formalism that provides a modelling of the wave fluxes in both the mean angular momentum and the mean energy equations in a companion paper. In this article, mode amplitudes are modelled based on recent asteroseismic observations, and a quantitative estimate of the angular momentum transfer is obtained. This is performed for a benchmark model of 1.3 $M_{\odot}$ at three evolutionary stages, representative of the evolved pulsating stars observed by CoRoT and Kepler. We show that mixed modes extract angular momentum from the innermost regions of subgiants and red giants. However, this transport of angular momentum from the core is unlikely to counterbalance the effect of the core contraction in subgiants and early red giants. In contrast, for more evolved red giants, mixed modes are found efficient enough to balance and exceed the effect of the core contraction, in particular in the hydrogen-burning shell. Our results thus indicate that mixed modes are a promising candidate to explain the observed spin-down of the core of evolved red giants, but that an other mechanism is to be invoked for subgiants and early red giants.

연구 동기 및 목표

• 진화한 저질량 항성의 핵에서 혼합 모드가 운동량을 얼마나 효율적으로 제거하는지 평가하기 위해.
• 기본 항성 진화 모델의 예측과 비교해 관측된 빨간 왜성의 핵 회전 둔화 간의 괴리를 해결하기 위해.
• CoRoT 및 Kepler 임무에서 관측된 모드 진폭을 사용해 운동량 운반을 정량화하기 위해.
• 혼합 모드가 관측된 진화한 빨간 왜성의 느린 핵 회전을 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 혼합 모드가 운동량을 재분배하는 데 효과적으로 작용하는 진화 단계를 특정하기 위해.

제안 방법

• 논문 I에서 개선한 변환된 오일러 평균(TEM) 형식을 사용해 평균 운동량 및 에너지 방정식 내의 파동 플럭스를 모델링하였다.
• 파동 필드를 밀도 높은 복사 영역에서 기술하기 위해 점진적, 준단열, 천천히 회전하는 근사법을 사용하였다.
• CoRoT 및 Kepler에서 관측된 주파수 간격과 회전 분할 값을 기반으로 혼합 모드 진폭을 모델링하였다.
• 평균 운동량 방정식의 파동 운동량 플럭스 항(식 18)을 사용해 운동량 플럭스를 계산하였다.
• 혼합 모드에 의한 운동량 운반 시간스케일을 항성 수축 시간스케일과 비교하였다(식 19).
• 세 가지 진화 단계에서 운동량 운반 효율성을 평가하였다: 주거성(M0), 초기 빨간 왜성(M1), 진화한 빨간 왜성(M2).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진화한 저질량 항성의 핵에서 혼합 모드가 관측된 핵의 둔화 회전을 설명할 수 있을 정도로 충분한 운동량을 제거할 수 있는가?
• RQ2 혼합 모드가 운동량 운반에서 비효율적에서 효율적으로 전환되는 진화 단계는 언제인가?
• RQ3 혼합 모드에 의한 운동량 운반 효율성이 반지름과 진화 단계에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 혼합 모드에 의한 운동량 제거가 핵 수축에 의한 회전 증가를 상쇄할 수 있는가?
• RQ5 기타 운반 메커니즘(예: 대류 순환 또는 내부 중력파)과 비교해 혼합 모드는 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 혼합 모드는 주거성과 빨간 왜성의 내부 영역에서 운동량을 제거하며, 특히 진화한 빨간 왜성의 수소 연소 층에서 두드러진다.
• 주거성(M0) 및 초기 빨간 왜성(M1) 모델에서는 혼합 모드에 의한 운동량 제거가 핵 수축에 비해 무시할 만큼 작다.
• 진화한 빨간 왜성 모델(M2)에서는 혼합 모드가 핵 수축을 상쇄시킬 만큼 충분한 운동량을 운반하여 핵의 둔화 회전을 가능하게 한다.
• 혼합 모드에 의한 운동량 운반의 최대 효율성은 부력 주파수의 피크가 나타나는 수소 연소 층에서 발생한다.
• 높은 파동 진폭에도 불구하고, 항성의 매우 중심부 영역에서는 혼합 모드의 효율성이 낮아진다.
• 결과적으로 혼합 모드가 진화한 빨간 왜성에서 핵의 둔화 회전을 설명하는 타당한 메커니즘이지만, 주거성과 초기 빨간 왜성의 둔화 회전을 단독으로 설명하기에는 부족하다.