[논문 리뷰] Lithium abundance and rotation of seismic solar analogues - Solar and stellar connection from Kepler and Hermes observations

P. G. Beck, J.-D. do Nascimento외 14명|Lirias (KU Leuven)|2017. 02. 03.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 92인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 키프러스 항성우주역학과 고해상도 Hermes 분광법을 이용하여 18개의 지구형 태양형 항성에서 리튬 농도(A(Li))와 표면 회전을 조사한다. 단일 항성에서 태양보다 어린 항성에 대해 A(Li)와 회전 주기 사이에 강한 상관관계를 확인하였으며, 측정된 A(Li) 값은 태양에 캘리브레이션된 모델과 뛰어난 일치를 보여, 태양형 내부 혼합 과정이 지구형 태양형 항성에서 일반적인 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Lithium abundance A(Li) and surface rotation are good diagnostic tools to probe the internal mixing and angular momentum transfer in stars. We explore the relation between surface rotation, A(Li) and age in a sample of seismic solar-analogue (SA) stars and study their possible binary nature. We select a sample of 18 SA observed by the NASA Kepler satellite for an in-depth analysis. Their seismic properties and surface rotation are well constrained from previous studies. About 53 hours of high-resolution spectroscopy were obtained to derive fundamental parameters and A(Li). These values were combined and confronted with seismic masses, radii and ages, as well as surface rotation periods. We identify a total of 6 binary systems. A well-defined relation between A(Li) and rotation was obtained. With models constrained by the characterisation of the individual mode frequencies for single stars, we identify a sequence of three SA with similar mass (~1.1Mo) and stellar ages ranging between 1 to 9 Gyr. Within the realistic estimate of ~7% for the mass uncertainty, we find a good agreement between the measured A(Li) and the predicted A(Li) evolution from a grid of models calculated with the Toulouse-Geneva stellar evolution code, which includes rotational internal mixing, calibrated to reproduce solar chemical properties. We present A(Li) for a consistent spectroscopic survey of SA with a mass of 1.00+/-0.15Mo, and characterised through asteroseismology and surface rotation rates based on Kepler observations. The correlation between A(Li) and P_rot supports the gyrochronological concept for stars younger than the Sun. The consensus between measured A(Li) for solar analogues with model grids, calibrated onto the Sun's chemical properties suggests that these targets share the same internal physics. In this light, the solar Li and rotation rate appear to be normal for a star like the Sun.

연구 동기 및 목표

• 지구형 태양형 항성에서 리튬 농도, 회전, 연령 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 관측된 A(Li)와 회전 주기를 이용하여 태양보다 어린 항성에 대해 기어로크로노로지의 타당성을 시험하기 위해.
• 태양형 항성의 리튬 농도와 회전이 항성 진화 모델과 비교하여 일반적인지 평가하기 위해.
• A(Li)-회전 관계를 왜곡시킬 수 있는 이중성 시스템을 식별하고 제외하기 위해.
• 독립적으로 측정된 진동 질량, 반지름, 연령, 분광학적 A(Li)를 포함한 일관된 샘플을 이용하여 A(Li) 진화 모델 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 항성우주역학 모드 주파수 분석을 통해 잘 캘리브레이션된 진동 질량, 반지름, 연령를 확보한 키프러스에서 18개의 지구형 태양형 항성 선택.
• 메르카토르 망원경에 장착된 헤르메스 분광계를 이용해 총 53시간의 고해상도 분광학 데이터 확보하여 표면 온도, 금속성, 표면 중력도, 리튬 농도(A(Li)) 유도.
• 항성 spots에 의한 광도 조절을 이용해 키프러스 광도곡선에서 표면 회전 주기 측정.
• 항성우주역학적으로 결정된 반지름을 이용해 회전 주기를 표면 회전 속도로 변환하여 모델 예측과의 비교를 향상시킴.
• 태양의 화학적 성질을 재현하고, 회전에 의한 내부 혼합을 포함한 툴루즈-제네바 진화 코드(TGEC) 모델의 예측과 관측된 A(Li) 값 비교.
• 분광학적 데이터에서의 라디얼 속도 변화를 통해 이중성 시스템 식별하고, 주요 A(Li)-회전 상관관계 분석에서 제외함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구형 태양형 항성에서 리튬 농도(A(Li))와 표면 회전 주기(P_rot) 사이에 측정 가능한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 독립적으로 측정된 질량과 연령를 가진 항성에서 A(Li) 진화의 모델 예측이 관측된 A(Li) 값과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 이중성 항성은 A(Li)-P_rot 관계를 어느 정도 왜곡시키며, 이를 신뢰성 있게 제외할 수 있는가?
• RQ4 관측된 A(Li)와 모델 예측 간의 일치는 태양의 내부 혼합 과정이 지구형 태양형 항성에 일반적인 것으로 간주될 수 있다는 주장을 뒷받침하는가?
• RQ5 A(Li)-P_rot 상관관계에 의해 태양보다 어린 항성에 대해 기어로크로노로지 관계가 타당한가?

주요 결과

• 단일 항성에서 P_rot < 26일인 경우 A(Li)와 회전 주기 사이에 명확한 선형 상관관계를 발견하여, 태양보다 어린 항성에 대해 기어로크로노로지의 타당성을 지지함.
• 라디얼 속도 변화를 통해 6개의 이중성 시스템을 확인하였으며, 리튬 선 영역에서 신호 대 잡음비는 80–210 사이.
• 질량 ≈1.1 M⊙이며 개별 주파수 모델링을 통해 신뢰할 수 있는 연령를 확보한 3개의 단일 항성(KIC 10644253, 7680114, 3656476)에서 관측된 A(Li) 값은 7% 질량 불확도 범위 내에서 TGEC 모델 예측과 일치함.
• 저금속성(부태양 금속성)을 가진 태양형 항성(KIC 6116048)도 관측된 A(Li)와 모델 예측 간 양호한 일치를 보였으며, 회전 주기(청년성 시사)와 항성우주역학적 연령(태양보다 오래됨) 사이의 괴리에도 불구하고.
• 여러 독립적인 방법(관측된 A(Li), 항성우주역학적 연령 및 질량, 모델 예측 A(Li)) 간의 일치는 태양의 리튬 농도와 회전이 그 질량과 연령에 비례해 일반적인 것으로 나타남.
• 이 연구는 태양에서 리튬 감소를 지배하는 내부 물리, 특히 회전에 의한 내부 혼합 과정이 태양형 항성에서 일반적인 것으로, 태양 성질에 캘리브레이션된 TGEC 코드로 모델링된 바와 일치함을 확인함.