[论文解读] Rotating Massive Main-Sequence Stars I: Grids of Evolutionary Models and Isochrones

I. Brott, S. E. de Mink+7 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Feb 2, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 51被引用 403

一句话总结

本文提出了一个全面的旋转大质量主序星演化模型网格及等离子体等时线，基于VLT-FLAMES巡天数据进行校准。该研究提出了一种新方法，通过低表面重力下观测到的旋转速率下降来校准湍流对流过冲，量化了旋转混合效应，表明快速旋转星表现出准化学均质演化，即使在金属丰度较低的环境（如大麦哲伦云和小麦哲伦云）中，其表面氮丰度也超过初始银河系水平。

ABSTRACT

We present a dense grid of evolutionary tracks and isochrones of rotating massive main-sequence stars. We provide three grids with different initial compositions tailored to compare with early OB stars in the Small and Large Magellanic Clouds and in the Galaxy. Each grid covers masses ranging from 5 to 60 Msun and initial rotation rates between 0 and about 600 km/s. To calibrate our models we used the results of the VLT-FLAMES Survey of Massive Stars. We determine the amount of convective overshooting by using the observed drop in rotation rates for stars with surface gravities log g < 3.2 to determine the width of the main sequence. We calibrate the efficiency of rotationally induced mixing using the nitrogen abundance determinations for B stars in the Large Magellanic cloud. We describe and provide evolutionary tracks and the evolution of the central and surface abundances. In particular, we discuss the occurrence of quasi-chemically homogeneous evolution, i.e. the severe effects of efficient mixing of the stellar interior found for the most massive fast rotators. We provide a detailed set of isochrones for rotating stars. Rotation as an initial parameter leads to a degeneracy between the age and the mass of massive main sequence stars if determined from its observed location in the Hertzsprung-Russell diagram. We show that the consideration of surface abundances can resolve this degeneracy.

研究动机与目标

• 开发覆盖多种金属丰度的旋转大质量主序星演化模型密集网格。
• 利用表面重力 log g < 3.2 的B星中观测到的旋转速率下降，校准对流过冲参数，将旋转演化与主序带宽度联系起来。
• 利用大麦哲伦云中大质量恒星的氮丰度测量数据，量化旋转混合效率。
• 提供详细等时线，将旋转作为关键初始参数，解决赫罗图中年龄-质量退化问题。
• 预测质量与旋转范围内的表面元素丰度演化，包括CNO、Li、Be、B、F和Na。

提出的方法

• 计算了质量在5至60 M⊙之间、初始旋转速度从0到600 km/s的演化轨迹。
• 采用三种初始成分，分别对应银河系、大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）的金属丰度。
• 通过匹配 log g < 3.2 时观测到的投影旋转速度下降，校准对流过冲参数（α_ov），得出 α_ov = 0.34 ± 0.1 压力尺度高度。
• 利用大麦哲伦云中B星的表面氮丰度数据校准旋转混合效率，确保模型预测与观测一致。
• 通过结合演化轨迹与年龄及旋转作为参数，生成等时线，显示赫罗图中序列的展宽。
• 追踪表面元素丰度演化，包括CNO、Li、Be、B、F和Na，以评估旋转混合随时间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量主序星中对流过冲的合适程度是什么？如何通过观测约束？
• RQ2 旋转混合如何影响不同金属丰度下大质量恒星的表面丰度，特别是氮？
• RQ3 在最质量和最快旋转的恒星中，旋转在多大程度上诱导准化学均质演化？
• RQ4 当使用赫罗图时，表面丰度和投影旋转速度能否打破大质量主序星中年龄与质量之间的退化？
• RQ5 与经典非旋转等时线相比，旋转恒星的预测等时线在光度-有效温度空间中的位置和展宽有何不同？

主要发现

• 通过 log g < 3.2 时观测到的旋转速度下降，将对流过冲参数校准为 α_ov = 0.34 ± 0.1 压力尺度高度。
• 在SMC和LMC中，15和40 M⊙的旋转模型在主序末期的表面氮丰度超过初始银河系成分，尽管初始金属丰度较低。
• 初始旋转速度为400–500 km/s的恒星在4 Myr时仍处于主序，而50–60 M⊙的非旋转模型已演化离开主序，表明旋转导致主序寿命显著延长。
• 在LMC中，非旋转等时线在约35 M⊙处硼丰度急剧下降，与恒星风质量损失有效剥离外层有关。
• 在最质量和最快旋转的恒星中观察到准化学均质演化，内部混合使成分均匀化，延迟核心演化。
• 旋转恒星的等时线在固定光度下覆盖广泛的有效温度范围，表明仅凭赫罗图无法唯一确定年龄-质量关系，必须辅以额外的丰度约束。