[论文解读] Close binary evolution. III. Impact of tides, wind magnetic braking, and internal angular momentum transport

Hanfeng Song, G. Meynet+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用 10

一句话总结

本文研究了在包含大质量恒星的密近双星系统中，潮汐力、恒星风磁制动与内部角动量输运之间的相互作用。利用日内瓦恒星演化代码，研究发现由于潮汐加速与磁制动的相互竞争，恒星会收敛至一个稳定的、亚同步的‘平衡角速度’，且在许多情况下表面自转速度随时间增加——这提供了一种机制，可解释那些年龄较大、快速自转、具有强磁场且氮元素富集的恒星。

ABSTRACT

Massive stars with solar metallicity lose important amounts of rotational angular momentum through their winds. When a magnetic field is present at the surface of a star, efficient angular momentum losses can still be achieved even when the mass-loss rate is very modest, at lower metallicities, or for lower-initial-mass stars. In a close binary system, the effect of wind magnetic braking also interacts with the influence of tides, resulting in a complex evolution of rotation. We study the interactions between the process of wind magnetic braking and tides in close binary systems. We discuss the evolution of a 10 M$_\odot$ star in a close binary system with a 7 M$_\odot$ companion using the Geneva stellar evolution code. The initial orbital period is 1.2 days. The 10 M$_\odot$ star has a surface magnetic field of 1 kG. Various initial rotations are considered. We use two different approaches for the internal angular momentum transport. In one of them, angular momentum is transported by shear and meridional currents. In the other, a strong internal magnetic field imposes nearly perfect solid-body rotation. The evolution of the primary is computed until the first mass-transfer episode occurs. The cases of different values for the magnetic fields and for various orbital periods and mass ratios are briefly discussed. We show that, independently of the initial rotation rate of the primary and the efficiency of the internal angular momentum transport, the surface rotation of the primary will converge, in a time that is short with respect to the main-sequence lifetime, towards a slowly evolving velocity that is different from the synchronization velocity. (abridged).

研究动机与目标

• 理解潮汐力、恒星风磁制动与内部角动量输运在密近双星系统中的相互作用。
• 解决古老、快速自转、具有强磁场的大质量恒星似乎违背磁制动 timescales 的谜题。
• 研究不同的内部角动量输运机制（剪切/经圈流 vs. 刚体旋转）如何影响恒星演化与表面元素丰度。
• 确定密近双星是否能在恒星年龄较大时仍能产生具有强表面磁场与高氮元素富集的恒星。
• 通过质量-光度比与表面元素丰度提供观测约束，以检验大质量恒星内部角动量与化学元素输运物理机制。

提出的方法

• 使用日内瓦恒星演化代码模拟一个10 M⊙主星与一个7 M⊙伴星组成的1.2天密近双星系统。
• 应用两种内部角动量输运模型：一种包含剪切与经圈流，另一种则通过强内部磁场强制实现刚体旋转。
• 在主星表面施加1 kG的磁场以模拟恒星风磁制动效应。
• 通过改变初始自转速率、轨道周期、质量比与磁场强度，探索参数空间。
• 追踪演化直至首次质量传输事件发生，分析表面速度、光度与氮元素丰度的变化。
• 在赫罗图中比较不同输运假设下的演化轨迹与表面元素丰度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 潮汐力与恒星风磁制动如何共同塑造密近双星中大质量恒星的自转演化？
• RQ2 内部角动量输运机制（非均匀旋转 vs. 刚体旋转）是否显著改变表面元素丰度分布与光度-质量比？
• RQ3 通过包含磁制动的密近双星演化，能否解释观测到的古老、快速自转、具有强磁场的大质量恒星群体？
• RQ4 密近双星中达到的平衡自转状态具有何种性质？其依赖于磁场强度与轨道周期的程度如何？
• RQ5 表面氮元素丰度与质量-光度比在多大程度上可约束大质量恒星内部的角动量与化学元素输运？

主要发现

• 主星表面自转在数百万年内迅速收敛至一个稳定的、亚同步的平衡角速度，且始终低于轨道角速度。
• 当质量损失或表面磁场强度增加时，磁制动对自转的减速作用更强，导致自转与轨道速度差异更大。
• 刚体旋转模型由于靠近对流核心区域的增强混合，其光度-质量比高于非均匀旋转模型。
• 尽管整体混合更强，但刚体旋转模型的表面氮元素富集程度反而低于非均匀旋转模型，原因在于外层剪切驱动混合的差异。
• 氮元素表面丰度对内部角动量输运机制的敏感性高于对恒星风磁制动的敏感性，使其成为诊断输运机制的关键指标。
• 对质量传输前双星系统的表面元素丰度与质量-光度比的观测，可同时约束角动量输运效率与未探测到的伴星存在。