[论文解读] Stellar Winds on the Main-Sequence II: the Evolution of Rotation and Winds

C. P. Johnstone, M. Güdel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究利用年轻星团中观测到的旋转分布，为低质量主序星（0.4–1.1 M⊙）建立了一个旋转演化模型，以约束恒星风的质量损失率。结果表明，风的质量损失率与 Ṁ⋆ ∝ R²⋆Ω¹.³³⋆M⁻³.³⁶⋆ 成正比，早期太阳风可能比现今更致密，这是由于年轻恒星的质量损失率更高；然而，这一结论强烈依赖于风速标度假设。

ABSTRACT

Aims. We develop a method for estimating the properties of stellar winds for low-mass main-sequence stars between masses of 0.4 M⊙ and 1.1 M⊙ at a range of distances from the star. Methods. We use 1D thermal pressure driven hydrodynamic wind models run using the Versatile Advection Code. Using in situ measurements of the solar wind, we produce models for the slow and fast components of the solar wind. We consider two radically different methods for scaling the base temperature of the wind to other stars: in Model A, we assume that wind temperatures are fundamentally linked to coronal temperatures, and in Model B, we assume that the sound speed at the base of the wind is a fixed fraction of the escape velocity. In Paper II of this series, we use observationally constrained rotational evolution models to derive wind mass loss rates. Results. Our model for the solar wind provides an excellent description of the real solar wind far from the solar surface, but is unrealistic within the solar corona. We run a grid of 1200 wind models to derive relations for the wind properties as a function of stellar mass, radius, and wind temperature. Using these results, we explore how wind properties depend on stellar mass and rotation. Conclusions. Based on our two assumptions about the scaling of the wind temperature, we argue that there is still significant uncertainty in how these properties should be determined. Resolution of this uncertainty will probably require both the application of solar wind physics to other stars and detailed observational constraints on the properties of stellar winds. In the final section of this paper, we give step by step instructions for how to apply our results to calculate the stellar wind conditions far from the stellar surface.

研究动机与目标

• 利用观测到的旋转演化约束低质量主序星的风质量损失率。
• 将旋转减速与随时间变化的风特性联系起来。
• 评估恒星风演化对行星大气演化的影响。
• 解决早期太阳风条件的不确定性及其对地球大气历史的影响。

提出的方法

• 将旋转演化模型拟合至年轻星团（如NGC 2547、毕星团）中观测到的旋转分布。
• 以Skumanich定律（Ω⋆ ∝ t⁻⁰.⁵）作为收敛后的旋转减速基准。
• 应用饱和阈值（Ωsat）来模拟磁驱动风制动，快速旋转恒星的c = 2.3。
• 将旋转模型与论文I中的风模型结合，以预测随时间变化的风质量损失率。
• 使用阿尔文半径形式将风质量损失与恒星旋转和磁场强度联系起来。
• 通过风温标度估算风速和密度，并对这一假设进行敏感性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量恒星在主序阶段的风质量损失率如何演化？
• RQ2 风质量损失率对恒星质量、半径和旋转速率的依赖关系如何？
• RQ3 太阳在其主序早期阶段的风质量损失率和密度如何演化？
• RQ4 初始旋转速率的分散在多大程度上导致了早期风特性的变异性？
• RQ5 风特性及风引起的自转减速如何影响行星大气演化？

主要发现

• 风质量损失率与 Ṁ⋆ ∝ R²⋆Ω¹.³³⋆M⁻³.³⁶⋆ 成正比，表明其对旋转和半径有强烈依赖性。
• 早期太阳风的质量损失率可能比现今高出约20倍，导致年轻时期风更致密。
• 早期太阳风的密度显著高于当前太阳风，尽管其具体数值取决于风温标度假设。
• 由于初始旋转速率的分散，年轻恒星之间的风特性差异较大，但随着年龄增长，这种差异逐渐减小。
• 对于太阳质量的恒星，风特性差异在约500 Myr时消失；而质量较小的恒星（如0.5 M⊙）则会更长时间保持一定差异。
• 该模型未发现年轻恒星存在弱质量损失的证据，与某些早期假设相矛盾，支持了早期强风的存在，以实现一致的自转减速。