[论文解读] Stellar evolution with rotation and magnetic fields:III: The interplay of circulation and dynamo

A. Maeder, G. Meynet|ArXiv.org|Jun 15, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用 92

一句话总结

本文研究了在不同旋转速率的恒星中，经向环流与Tayler–Spruit磁发电机之间的相互作用，表明磁场使恒星近乎刚体旋转，从而显著增强通过环流实现的化学物质输运。关键结果是，磁场使表面氮和氦的富集程度（N/C比值最高达11倍）远超仅由旋转引起的效果，提供了一种与观测到的OB星元素丰度一致的机制。

ABSTRACT

We examine the effects of the magnetic field created by the Tayler--Spruit dynamo in differentially rotating stars. Magnetic fields of the order of a few $10^4$ G are present through most of the stellar envelope, with the exception of the outer layers. The diffusion coefficient for the transport of angular momentum is very large and it imposes nearly solid body rotation during the MS phase. In turn, solid body rotation drives meridional circulation currents which are much faster than usual and leads to much larger diffusion coefficients than the magnetic diffusivity for the chemical species. The consequence is that the interplay of the thermal and magnetic instabilities favours the chemical transport of elements, while there would be no transport in models with magnetic field only. We also discuss the effects on the stellar interior, lifetimes and HR diagram.

研究动机与目标

• 理解由Tayler–Spruit磁发电机产生的磁场与旋转恒星中经向环流之间的反馈机制。
• 通过建立适用于所有绝热与非绝热条件下的磁场与热不稳定性统一框架，解决先前模型中的不一致性。
• 评估磁场、旋转与环流之间的相互作用如何影响大质量恒星中化学元素的输运与演化。
• 将模型预测与OB星表面丰度的观测数据进行比较，特别是氮和氦的富集情况。
• 评估星震学作为探测内部旋转结构与磁场效应的潜力。

提出的方法

• 开发了一套适用于绝热与非绝热恒星内部的Tayler–Spruit磁发电机一致方程组。
• 引入阿尔文频率与磁场能量密度，以模拟磁场对角动量输运的影响。
• 利用数值恒星演化模型求解磁场生成、差速旋转与经向环流的耦合方程组。
• 引入反馈回路：磁场抑制差速旋转，从而增强经向环流，而经向环流又反过来恢复差速旋转。
• 利用基于磁扩散率与环流驱动混合的输运系数，量化化学元素的输运。
• 将仅含旋转、仅含磁场以及同时包含旋转与磁场的模型进行比较，以分离出相互作用的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tayler–Spruit磁发电机如何影响大质量恒星中的角动量输运与旋转分布？
• RQ2 当磁场使恒星实现刚体旋转时，经向环流在增强化学元素输运中起到何种作用？
• RQ3 与仅由旋转引起的情况相比，磁场在多大程度上放大了表面氮和氦的富集？
• RQ4 预测的表面丰度增强是否能与OB星的观测数据相一致？
• RQ5 哪些观测诊断手段（如g模振荡）可用来检验预测的内部旋转与磁场结构？

主要发现

• 由Tayler–Spruit磁发电机产生的磁场在主序阶段使恒星包层内实现近乎刚体旋转，抑制了差速旋转。
• 差速旋转的抑制显著增强了经向环流，使化学输运系数远超仅由磁扩散引起的水平。
• 在同时包含旋转与磁场的模型中，主序末期表面氦质量分数达到 Y_s = 0.31，超过太阳值。
• 由于增强的混合，氮/碳比与氮/氧比分别提高了11倍与6倍，显著超过仅由旋转驱动的模型预测值。
• 包含旋转与磁场的模型在主序末期表现出更高的光度与更蓝的颜色，这是由于核心更大且表面氦富集降低了消光系数。
• 预测的表面丰度增强与快速旋转OB星的观测结果总体一致，尽管由于数据稀缺，观测约束仍较有限。