[論文レビュー] Stellar Evolution with Rotation V: Changes in all the Outputs of Massive Star Models

G. Meynet, A. Maeder|ArXiv.org|Jun 28, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用数 51

ひとこと要約

本論文は、太陽金属量のもとで回転する質量 9–120 M⊙ の星の包括的なモデルグリッドを提示している。回転駆動型のプロセスとして、緯度方向循環、せん断不安定性、角運動量輸送、強化された質量放出を組み込んでいる。回転が星の進化に顕著な影響を与えることが示された。主系列星の寿命が最大で30%延び、窒素およびヘリウムの表面豊度が早期に増加し、非回転モデルでは予測できないBe星やN/C過剰を示す超新星の観測的性質を説明できる。

ABSTRACT

Grids of models for rotating stars are constructed in the range of 9 to 120 M$_{\odot}$ at solar metallicity. The following effects of rotation are included: shellular rotation, new structure equations for non-conservative case, surface distorsions, increase of mass loss with rotation, meridional circulation and interaction with horizontal turbulence, shear instability and coupling with thermal effects, advection and diffusion of angular momentum treated in the non-stationary regime, transport and diffusion of the chemical elements. Globally we find that for massive stars the effects of rotation have an importance comparable to those of mass loss. For an average rotation, the tracks in the HR diagram are modified like a moderate overshoot would do. In general, an average rotation may increase the MS lifetime up to about 30 %; for the helium-burning phase the effects are smaller and amount to at most 10 %. Rotation also brings significant surface He- and N-enhancements, they are higher for higher masses and rotation.

研究の動機と目的

• 太陽金属量のもとで広い質量範囲（9–120 M⊙）の回転が大質量星の進化に与える影響を包括的に調査すること。
• 標準の非回転モデルと観測データとの間の表面元素豊度、回転速度、進化軌道の不一致を解消すること。
• 回転が寿命、HR図軌道、等時曲線、表面元素豊度、質量-光度関係といった主要な星の出力に与える影響を評価すること。
• 回転が微小な補正ではなく、質量放出と同等の重要度を持つ混合と進化の根本的駆動要因であることを示すこと。
• Wolf-Rayet星の形成、星間物質の生成関数、星団爆発領域における化学進化の理解の基盤を提供すること。

提案手法

• 角運動量輸送と拡散の非定常的取り扱いを用いた詳細な星の進化モデルの構築。
• 非保存的定式化を用いた緯度方向循環の組み込みと、水平方向の乱流およびせん断不安定性への結合。
• 4次式を用いた角運動量輸送方程式を時間依存的状態で解き、定常近似を避ける。
• 回転依存の質量放出、表面歪み、および広義の拡散機構による化学元素の拡散を組み込む。
• 内部回転プロファイル Ω(r) を、緯度方向循環およびせん断による影響を受けて進化させる。構造的および進化的要因へのフィードバックを含む。
• モデル出力（HR図、等時曲線、表面元素豊度、回転速度）を、OB星および超新星の観測データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転は大質量星の主系列星の寿命にどのように影響を及ぼし、若い星団における観測された年齢の不一致をどの程度説明できるか？
• RQ2 緯度方向循環やせん断混合といった回転駆動型プロセスが、大質量星の表面に窒素およびヘリウムの早期豊度増加を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ3 中程度または低速の表面回転を示す一部の大質量星が強いN/C過剰を示すのはなぜか？回転モデルはブルー・ループを必要とせずにこれを再現できるか？
• RQ4 回転はHR図における進化軌道の形状にどのように影響を及ぼし、等時曲線フィッティングおよび年齢推定にどのような意味を持つのか？
• RQ5 回転がBe星形成における役割を果たすのはどのようなものか？また、回転は観測された表面速度分布（破壊速度に近い）を説明できるか？

主な発見

• 回転により、混合の増強と燃料利用の最適化のおかげで、主系列星の寿命が最大30%延びる。ヘリウム燃焼段階ではその効果が弱まる。
• 緯度方向循環により、内部回転プロファイルが主系列星の1–2%の寿命のうちに急速に近平衡状態に収束する。内部および外部に2セル構造の循環パターンが形成される。
• 大質量星では主系列星段階において高い質量放出のため、表面回転速度が著しく低下するが、初期質量 <12 M⊙ かつ初期回転が速い星は破壊速度に達する可能性があり、Be星の形成を説明できる。
• 回転モデルは、A型およびB型超新星の観測されたN/C比、特に標準モデルでは説明できない低過剰を再現する。これは主系列星段階における早期の豊度増加を示している。
• 回転により、固定された log g_eff および log T_eff における質量-光度関係に約30%の散らばりが生じ、長年の「質量不一致」問題の解消に寄与する。
• M ≳ 40 M⊙ で高速回転を示す星では、強いヘリウムおよび窒素の豊度増加を示す「均質的」ともいえる青方向の軌道が出現し得る。これは、最も若い星団の年齢推定に顕著な影響を与える。