[論文レビュー] Rotational mixing in massive binaries: detached short-period systems

S. E. de Mink, Matteo Cantiello+4 more|ArXiv.org|Feb 10, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 60被引用数 131

ひとこと要約

本稿では、特に食連星である分離・短周期の大質量連星を用いて、大質量星における回転混合の正確な観測的検証を提案する。潮汐ロックされた連星における回転混合のキャリブレーションを施した星の進化モデルを用いることで、この系の主星は強力な窒素増加（最大0.6 dex）を示し、表面ヘリウムおよび窒素の蓄積を伴うコンactで青い、Wolf-Rayet型に似た星に進化することが判明した。これは、質量転移を伴わない、密なWolf-Rayet連星および大質量ブラックホール連星の形成に新たな経路を提供するものである。

ABSTRACT

Models of rotating single stars can successfully account for a wide variety of observed stellar phenomena, such as the surface enhancements of N and He. However, recent observations have questioned the idea that rotational mixing is the main process responsible for the surface enhancements, emphasizing the need for a strong and conclusive test. We investigate the consequences of rotational mixing for massive main-sequence stars in short-period binaries. In these systems the tides spin up the stars to rapid rotation. We use a state-of-the-art stellar evolution code including the effect of rotational mixing, tides, and magnetic fields. We discuss the surface abundances expected in massive close binaries (M1~20 solar masses) and we propose using such systems to test the concept of rotational mixing. As these short-period binaries often show eclipses, their parameters can be determined with high accuracy, allowing for a direct comparison with binary evolution models. In more massive close systems (M1~50 solar masses, Porb

研究の動機と目的

• 回転混合が大質量主系列星における窒素およびヘリウム表面増加の主要因であるという仮説を検証すること。
• 高精度パラメータを持つ分離・短周期の大質量連星を活用して、回転混合の明確な観測的検証を提供すること。
• 回転混合が、質量転移や共通エンvelope段階を必要としないM33 X-7のような密なWolf-Rayet連星および大質量ブラックホール連星の形成を説明できるかを調査すること。
• 潮汐が回転を軌道運動と同期化する系において、回転混合が標準的連星進化経路をどのように変化させるかを調査すること。

提案手法

• 回転混合、潮汐同期化、磁場を含む最新の星の進化コードを用いる。
• VLT-FLAMES調査の結果を根拠に、回転混合が観測された表面組成の異常を引き起こすと仮定して、回転混合の効率をキャリブレーションする。
• 軌道周期 ≤3日、主星質量 ≈20–50 M☉ の分離・短周期大質量連星をモデル化する。
• 質量転移や共通エンvelope段階がないと仮定して進化をシミュレートし、核水素燃焼期を通じて連星が分離状態を維持することを保証する。
• 回転混合が表面組成、半径の進化、およびロッシュ・ローブの溢出タイミングに与える影響を評価する。
• モデル予測をM33 X-7 やCyg X-1 などの観測対象と比較し、提案された進化経路の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度パラメータを持つ分離・短周期大質量連星は、回転混合の明確なテストとして適しているか？
• RQ2 潮汐ロックされた大質量星において、回転混合がどれほど窒素表面増加を引き起こすか？
• RQ3 回転混合は標準的連星進化経路、特にロッシュ・ローブの溢出の順序を変化させるか？
• RQ4 回転混合のみで、主系列星を伴う密なWolf-Rayet連星が形成可能か？
• RQ5 質量転移や共通エンvelope段階を回避する、M33 X-7のような大質量ブラックホール連星の妥当な進化経路は存在するか？

主な発見

• M₁ ≈ 20 M☉、P_orb ≤ 3日である短周期大質量連星では、小マゼラン雲において回転混合により最大0.6 dexの窒素表面増加が見られる。
• M₁ ≈ 50 M☉ で P_orb ≤ 2日である系では、回転混合が中心で生成されたヘリウムを効率的に包層全体に混合し、核水素燃焼期を通じて星がコンパクトで青いままである。
• これらの星は『偽装Wolf-Rayet星』として現れる——核水素燃焼中の星であり、表面ヘリウムおよび窒素の強力な増加を示す。
• 標準的連星進化とは対照的に、この系では質量の小さい副星が主星よりも先にロッシュ・ローブを満たす。これは主星の回転混合によるコンパクト化に起因する。
• パラメータ空間の広い範囲において、主星は核水素燃焼期を通じてロッシュ・ローブ内に留まり、質量転移や共通エンvelope段階を回避する。
• この新しい進化経路（Case M）は、密なWolf-Rayet連星の形成に代替経路を提供し、M33 X-7のような大質量ブラックホール連星の形成を説明する可能性を秘めている。