[论文解读] Rotational velocities of A-type stars IV. Evolution of rotational velocities

J. Zorec, F. Royer|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用 115

一句话总结

本研究分析了2,014颗A型恒星的旋转速度，以探讨质量与年龄依赖的表面旋转演化。利用恒星演化模型和光度数据，研究发现质量小于2.5 M☉的恒星在主序阶段表现出单调的加速旋转，而质量更大的恒星（1.7–3.2 M☉）则在主序初期经历强烈加速，随后旋转速度趋于恒定，表明其在整个主序生命期内存在差异旋转。关键发现是，观测到的旋转演化与理论预测存在显著偏差，表明恒星在进入主序时的角动量低于临界刚体旋转极限，并以特征时间尺度约0.2 tMS的差异旋转方式演化。

ABSTRACT

In previous works of this series, we have shown that late B- and early A-type stars have genuine bimodal distributions of rotational velocities and that late A-type stars lack slow rotators. The distributions of the surface angular velocity ratio Ω/Ω_crit (Ω_crit is the critical angular velocity) have peculiar shapes according to spectral type groups, which can be caused by evolutionary properties. We aim to review the properties of these rotational velocity distributions in some detail as a function of stellar mass and age. We have gathered v sin i for a sample of 2014 B6- to F2-type stars. We have determined the masses and ages for these objects with stellar evolution models. The (Teff, log L/Lsun)-parameters were determined from the uvby-βphotometry and the HIPPARCOS parallaxes. The velocity distributions show two regimes that depend on the stellar mass. Stars less massive than 2.5 Msun have a unimodal equatorial velocity distribution and show a monotonical acceleration with age on the main sequence (MS). Stars more massive have a bimodal equatorial velocity distribution. Contrarily to theoretical predictions, the equatorial velocities of stars from about 1.7 Msun to 3.2 Msun undergo a strong acceleration in the first third of the MS evolutionary phase, while in the last third of the MS they evolve roughly as if there were no angular momentum redistribution in the external stellar layers. The studied stars might start in the ZAMS not necessarily as rigid rotators, but with a total angular momentum lower than the critical one of rigid rotators. The stars seem to evolve as differential rotators all the way of their MS life span and the variation of the observed rotational velocities proceeds with characteristic time scales δ(t)\sim 0.2 t_MS, where t_MS is the time spent by a star in the MS.

研究动机与目标

• 研究A型恒星的旋转速度分布如何随质量与年龄演化。
• 确定观测到的旋转行为是否与角动量再分布的理论预测一致。
• 评估恒星是否在主序阶段开始时角动量低于临界刚体旋转极限。
• 考察差异旋转在塑造主序期间观测到的表面速度中的作用。

提出的方法

• 从高精度光度测量和HIPPARCOS视差中收集了2,014颗B6–F2型恒星的v sin i测量值。
• 利用uvby–β光度法测定有效温度和光度，通过恒星演化模型推导质量与年龄。
• 绘制作为质量与演化阶段（t/tMS）函数的旋转速度分布，区分单峰与双峰行为。
• 将观测到的旋转演化与角动量再分布的理论模型进行比较，特别关注大质量恒星中的偏差。
• 假设类壳层旋转，估算内部角动量分布，检验刚体与差异旋转模型的适用范围。
• 评估潜在的辐射-对流二分性对快速旋转恒星中旋转律与von Zeipel系数的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 A型恒星的旋转速度分布是否系统性地随恒星质量与年龄变化？
• RQ2 A型恒星中观测到的旋转演化是否与角动量再分布的理论模型一致？
• RQ3 恒星是否在主序阶段开始时角动量低于临界刚体旋转极限？
• RQ4 恒星在主序寿命期间在多大程度上以差异旋转而非刚体旋转方式演化？
• RQ5 何种内部旋转分布能解释观测到的表面速度演化，特别是大质量A型恒星中的情况？

主要发现

• 质量小于2.5 M☉的恒星表现出单峰的赤道速度分布，并在整个主序阶段持续单调加速。
• 质量在1.7至3.2 M☉之间的恒星在主序前三分之一阶段经历强烈的初始加速，随后在最后三分之二阶段旋转速度基本保持不变，表明角动量再分布极小。
• 观测到的旋转演化与理论模型存在显著偏差，尤其在3 M☉恒星主序前半段更为明显。
• 所有研究质量的恒星很可能在主序阶段开始时总角动量低于刚体旋转临界值。
• 观测到的旋转速度变化的特征时间尺度为δt ≈ 0.2 tMS，表明存在质量依赖的演化时间尺度。
• 在主序末期，大质量恒星（≥2.5 M☉）的旋转能量超过临界刚体旋转所能维持的极限，证实其作为强差异旋转体演化。