[论文解读] Lithium abundance and rotation of seismic solar analogues - Solar and stellar connection from Kepler and Hermes observations

P. G. Beck, J.-D. do Nascimento+14 more|Lirias (KU Leuven)|Feb 3, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 92被引用 14

一句话总结

本研究利用开普勒恒星震学与高分辨率Hermes光谱仪数据，调查了18颗地震学太阳类恒星的锂丰度（A(Li)）与表面自转特性。研究证实，对于年龄小于太阳的单星，A(Li)与自转周期之间存在强烈相关性，测得的A(Li)值与基于太阳校准的模型高度一致，表明太阳类恒星的内部混合过程是正常的。

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.

研究动机与目标

• 理解太阳类恒星中锂丰度、自转与年龄之间的相互作用。
• 利用观测到的A(Li)与自转周期，检验自转时钟理论在年龄小于太阳的恒星中的有效性。
• 通过与恒星演化模型比较，评估太阳的锂丰度与自转是否具有代表性，可代表类太阳恒星。
• 识别并排除可能扭曲A(Li)-自转关系的双星系统。
• 通过独立测量的地震质量、半径、年龄与光谱A(Li)在一致样本中验证模型对A(Li)演化的预测。

提出的方法

• 从开普勒数据中选取18颗太阳类恒星，其地震质量、半径与年龄通过星震模态频率分析获得精确约束。
• 利用Mercator望远镜上的Hermes光谱仪获取53小时的高分辨率光谱，以推导有效温度、金属丰度、表面重力与锂丰度（A(Li)）。
• 通过开普勒光曲线中由恒星黑子引起的光变调制，测量表面自转周期。
• 利用星震学确定的半径将自转周期转换为表面自转速度，以改善与模型预测的比较。
• 将观测到的A(Li)值与基于Toulouse-Geneva Evolution Code（TGEC）模型的预测值进行比较，该模型已校准以重现太阳的化学特性，并包含自转引起的内部混合过程。
• 通过光谱数据中的径向速度变化识别双星系统，并在主要A(Li)-自转关系分析中将其排除。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳类恒星中，锂丰度（A(Li)）与表面自转周期（P_rot）之间是否存在可测量的相关性？
• RQ2 模型对A(Li)演化的预测与独立测量质量与年龄的恒星观测A(Li)值的符合程度如何？
• RQ3 双星系统在多大程度上扭曲了A(Li)-P_rot关系？能否可靠地将其排除？
• RQ4 观测A(Li)与模型预测之间的一致性是否支持太阳内部混合过程可代表太阳类恒星的观点？
• RQ5 A(Li)-P_rot相关性是否表明自转时钟关系适用于年龄小于太阳的恒星？

主要发现

• 在自转周期P_rot < 26天的单星中，发现A(Li)与自转周期之间存在清晰的线性相关性，支持自转时钟理论对年龄小于太阳的恒星的有效性。
• 通过径向速度变化确认了六个双星系统，锂线区域的信噪比为80–210。
• 对于三颗质量≈1.1 M⊙且通过单频模式建模获得可靠年龄的单星（KIC 10644253、7680114、3656476），观测到的A(Li)值在7%质量不确定度范围内与TGEC模型预测值一致。
• 具有低于太阳金属丰度的太阳类恒星（KIC 6116048）也表现出观测A(Li)与模型预测值的良好一致性，尽管其自转周期（暗示年轻）与星震年龄（比太阳更老）存在矛盾。
• 多种独立方法（观测A(Li)、星震年龄与质量、模型预测A(Li)）之间的一致性表明，太阳的锂丰度与自转特性对于同质量与年龄的恒星而言是典型的。
• 本研究证实，控制太阳中锂消耗的内部物理过程，特别是自转引起的内部混合，可代表太阳类恒星，这与基于太阳特性校准的TGEC代码模型一致。