[论文解读] Stellar Evolution with Rotation V: Changes in all the Outputs of Massive Star Models

G. Meynet, A. Maeder|ArXiv.org|Jun 28, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用 51

一句话总结

本文展示了在太阳金属丰度下，质量范围为9–120 M⊙的旋转大质量恒星模型的全面网格，纳入了由旋转驱动的过程，如经向环流、剪切不稳定性、角动量输运以及增强的质量损失。结果表明，旋转显著改变了恒星演化过程——将主序星寿命延长最多达30%，引发氮和氦的早期表面富集，并解释了Be星和具有N/C过量的超巨星的观测特性，这些特性无法由非旋转模型预测。

ABSTRACT

Grids of models for rotating stars are constructed in the range of 9 to 120 M$_{\odot}$ at solar metallicity. The following effects of rotation are included: shellular rotation, new structure equations for non-conservative case, surface distorsions, increase of mass loss with rotation, meridional circulation and interaction with horizontal turbulence, shear instability and coupling with thermal effects, advection and diffusion of angular momentum treated in the non-stationary regime, transport and diffusion of the chemical elements. Globally we find that for massive stars the effects of rotation have an importance comparable to those of mass loss. For an average rotation, the tracks in the HR diagram are modified like a moderate overshoot would do. In general, an average rotation may increase the MS lifetime up to about 30 %; for the helium-burning phase the effects are smaller and amount to at most 10 %. Rotation also brings significant surface He- and N-enhancements, they are higher for higher masses and rotation.

研究动机与目标

• 研究在太阳金属丰度下，旋转对大质量恒星演化（质量范围9–120 M⊙）的全面影响。
• 解决标准非旋转模型与大质量恒星表面丰度、旋转速度及演化轨迹观测之间的差异。
• 评估旋转对关键恒星输出的影响：寿命、赫罗图轨迹、等离子体图、表面丰度及质量-光度关系。
• 证明旋转并非微小修正，而是与质量损失相当、在混合和演化中起根本作用的驱动力。
• 为理解沃尔夫-拉叶星的形成、恒星产物及星暴区域的化学演化提供基础。

提出的方法

• 采用非定常角动量输运与扩散处理方法，构建详细的恒星演化模型。
• 将经向环流以非守恒形式纳入，并与水平方向湍流及剪切不稳定性耦合。
• 使用四阶角动量输运方程，在时变条件下求解，以避免使用定常近似。
• 纳入依赖旋转的质量损失、表面形变，以及通过平流和扩散机制实现的化学元素扩散。
• 模拟内部旋转速率分布Ω(r)在经向环流和剪切作用下的演化，并反馈至结构与演化过程。
• 将模型输出（赫罗图、等离子体图、表面丰度、旋转速度）与OB星和超巨星的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转如何改变大质量恒星的主序星寿命，其影响在多大程度上可解释年轻星团中观测到的年龄差异？
• RQ2 由旋转驱动的过程（如经向环流和剪切混合）在多大程度上导致大质量恒星在早期出现氮和氦的表面富集？
• RQ3 为何一些中等或低表面旋转速度的大质量恒星表现出强烈的N/C过量？旋转模型是否能在不依赖蓝回路的情况下重现这一现象？
• RQ4 旋转如何影响赫罗图中演化轨迹的形状，这对等离子体图拟合与年龄估计有何影响？
• RQ5 旋转在Be星形成中起什么作用？它是否能解释观测到的接近破裂速度极限的表面速度分布？

主要发现

• 由于增强的混合与燃料利用，旋转使主序星寿命延长最多达30%，且在氦燃烧阶段影响减弱。
• 经向环流导致内部旋转速率分布在1–2%主序星寿命内迅速趋近近似平衡态，内部与外部均呈现双胞胎环流模式。
• 由于高质损失，大质量恒星在主序阶段表面旋转速度显著降低，但初始质量<12 M⊙且初始旋转较快的恒星可达到破裂速度，从而解释Be星的形成。
• 旋转模型能重现A型和B型超巨星的观测N/C比值，包括标准模型无法解释的低过量，其原因在于主序阶段早期的富集。
• 旋转在固定log g_eff和log T_eff条件下，使质量-光度关系产生约30%的分散，有助于解决大质量恒星长期存在的“质量差异”问题。
• 对于M ≳ 40 M⊙且旋转较快的恒星，可能出现向蓝端偏移的“类均匀”演化轨迹，伴有强烈的氦和氮富集，显著影响最年轻星团的年龄估计。