[论文解读] Magnetic Inhibition of Convection and the Fundamental Properties of Low-Mass Stars. III. A Consistent 10 Myr Age for the Upper Scorpius OB Association

Gregory A. Feiden|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用 4

一句话总结

本文提出，低质量恒星中对流受磁性抑制可解决年轻星协（如上天蝎座）中长期存在的年龄差异问题，即较冷恒星系统性地显得比较热恒星年轻。通过应用包含先验估算表面磁场（约2.5 kG）的磁性恒星演化模型，研究发现从A型到M型恒星的年龄一致为10 Myr，从而调和了食双星提供的赫罗图与质量-半径关系约束。

ABSTRACT

When determining absolute ages of identifiably young stellar populations, results strongly depend on which stars are studied. Cooler (K, M) stars typically yield ages that are systematically younger than warmer (A, F, G) stars by a factor of two. I explore the possibility that these age discrepancies are the result of magnetic inhibition of convection in cool young stars by using magnetic stellar evolution isochrones to determine the age of the Upper Scorpius subgroup of the Scorpius-Centaurus OB Association. A median age of 10 Myr consistent across spectral types A through M is found, except for a subset of F-type stars that appear significantly older. Agreement is shown for ages derived from the Hertzsprung-Russell diagram and from the empirical mass-radius relationship defined by eclipsing multiple-star systems. Surface magnetic field strengths required to produce agreement are of order 2.5 kG and are predicted from a priori estimates of equipartition values. A region in the HR diagram is identified that plausibly connects stars whose structures are weakly influenced by the presence of magnetic fields with those whose structures are strongly influenced by magnetic fields. The models suggest this region is characterized by stars with rapidly thinning outer convective envelopes where the radiative core mass is greater than 75% of the total stellar mass. Furthermore, depletion of lithium predicted from magnetic models appears in better agreement with observed lithium equivalent widths than predictions from non-magnetic models. These results suggest that magnetic inhibition of convection plays an important role in the early evolution of low-mass stars and that it may be responsible for noted age discrepancies in young stellar populations.

研究动机与目标

• 解决年轻星协中持续存在的年龄差异问题，即K型和M型恒星比A型和F型恒星年轻约两倍。
• 研究低质量恒星中对流受磁性抑制是否扭曲恒星演化模型并导致年龄估计偏差。
• 利用上天蝎座中食双星系统的实测约束，检验磁性恒星演化模型的有效性。
• 调和由赫罗图与食双星质量-半径关系得出的相互矛盾的年龄估计。
• 通过将锂消耗模式与观测对比，评估磁性模型的预测能力。

提出的方法

• 应用包含磁性对流抑制的磁性恒星演化等龄线，并以约2.5 kG的表面磁场等能量分配估计值进行标定。
• 利用开普勒/K2第2期观测的光变曲线，精确推导上天蝎座中食双星系统的质量与半径。
• 将模型预测的等龄线与观测的赫罗图位置及质量-半径关系进行比较，以推断一致的年龄。
• 引入锂等效宽度观测，检验模型对年轻低质量恒星中锂消耗的预测。
• 使用太阳金属丰度的磁性恒星模型网格，计算上天蝎座中全部质量范围恒星的年龄估计。
• 通过与Pecaut等人（2012年）的独立年龄估计（建议该星协年龄为11±3 Myr）对比，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性对流抑制能否解释年轻星协中较冷恒星与较热恒星之间的系统性年龄差异？
• RQ2 磁性恒星演化模型是否能调和由赫罗图与食双星质量-半径关系得出的年龄估计？
• RQ3 为在上天蝎座中实现A至M型恒星年龄一致为10 Myr，需要多强的表面磁场？
• RQ4 磁性模型在多大程度上能再现低质量原主序星中观测到的锂消耗模式？
• RQ5 当在恒星演化模型中考虑磁性效应时，上天蝎座10 Myr的年龄是否依然稳健？

主要发现

• 当在恒星模型中引入磁性对流抑制时，上天蝎座中从A型到M型恒星均得出一致的10 Myr年龄。
• 约2.5 kG的表面磁场可调和赫罗图与质量-半径关系的年龄估计，与先验的等能量分配估计一致。
• 赫罗图与质量-半径关系之间的年龄差异得以解决：非磁性模型对K/M型恒星给出约5 Myr，对食双星给出约8 Myr，而磁性模型对两者均给出约10 Myr。
• 与非磁性模型相比，磁性模型更准确地再现了低质量恒星中观测到的锂等效宽度，支持磁性对流抑制在锂消耗中的作用。
• 在赫罗图中识别出一个特定区域，恒星在此区域从弱磁性影响过渡到强磁性影响，对应于具有超过75%总质量的辐射核心及变薄的对流包层的恒星。
• 当对年轻恒星使用非磁性模型时，恒星质量系统性低估约30%，类地行星/棕矮星质量系统性低估约35%，这是由于年龄偏差所致。