[论文解读] Suppression of lithium depletion in young low-mass stars from fast rotation

T. Constantino, I. Baraffe+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 142被引用 10

一句话总结

本研究基于3D流体动力学模拟，提出在年轻低质量恒星中，快速自转通过改变一维恒星模型中的对流稳定性判据和温度梯度，抑制了锂的耗尽。结果导致对流层变浅且底部温度降低，从而足够减少锂燃烧速率，解释了年轻开放星团中观测到的锂-自转相关性，而无需引入额外的混合机制。

ABSTRACT

We compute rotating 1D stellar evolution models that include a modified temperature gradient in convection zones and criterion for convective instability inspired by rotating 3D hydrodynamical simulations performed with the MUSIC code. In those 3D simulations we found that convective properties strongly depend on the Solberg-H{\o}iland criterion for stability. We therefore incorporated this into 1D stellar evolution models by replacing the usual Schwarzschild criterion for stability and also modifying the temperature gradient in convection zones. We computed a grid of 1D models between 0.55 and 1.2 stellar masses from the pre-main sequence to the end of main sequence in order to study the problem of lithium depletion in low-mass main sequence stars. This is an ideal test case because many of those stars are born as fast rotators and the rate of lithium depletion is very sensitive to the changes in the stellar structure. Additionally, observations show a correlation between slow rotation and lithium depletion, contrary to expectations from standard models of rotationally driven mixing. By suppressing convection, and therefore decreasing the temperature at the base of the convective envelope, lithium burning is strongly quenched in our rapidly rotating models to an extent sufficient to account for the lithium spread observed in young open clusters.

研究动机与目标

• 解决标准恒星模型预测快速自转恒星中锂耗尽增强，而观测却显示相反趋势的矛盾。
• 利用3D流体动力学模拟的见解，研究旋转如何改变低质量恒星的对流稳定性与温度梯度。
• 检验修改后的对流准则是否能再现如昴星团和M35等年轻开放星团中观测到的锂丰度弥散。
• 评估旋转对原主序星阶段和主序星阶段锂耗尽速率的影响。

提出的方法

• 基于MUSIC代码的3D流体动力学模拟，引入受Solberg-Høiland判据启发的修改对流稳定性准则。
• 用依赖于自转的稳定性条件替代标准的Schwarzschild判据，提高对流起始的阈值。
• 修改对流区内的温度梯度，以反映旋转对对流效率的影响。
• 计算了从0.55至1.2 M⊙的1D恒星演化模型网格，覆盖从原主序星阶段到主序末期。
• 采用固定的初始组成和校准的混合长度参数，以匹配太阳的性质。
• 通过追踪对温度高度敏感的7Li(p,α)4He反应速率来评估锂耗尽速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 快速自转如何改变低质量恒星的对流稳定性和温度梯度？
• RQ2 旋转调制的对流准则是否能抑制年轻低质量恒星中的锂耗尽，以匹配观测趋势？
• RQ3 与标准模型相比，修改后的稳定性准则在多大程度上减少了锂燃烧？
• RQ4 锂耗尽的抑制是否强烈依赖于自转速率，特别是在原主序星阶段？
• RQ5 旋转引起的结构变化与磁抑制或黑子覆盖等其他假设机制相比如何？

主要发现

• 修改后的稳定性准则通过降低对流包层底部的温度，减少了快速自转模型中的锂耗尽，从而抑制了7Li(p,α)4He反应速率。
• 锂燃烧的抑制在自转周期≤0.5天时最强，此时结构变化变得显著。
• 模型中产生的锂丰度弥散与昴星团和M35等年轻开放星团中的观测弥散相匹配。
• 该效应与对流层下方混合方案的选择无关，表明在不同物理处理下具有鲁棒性。
• 由于旋转的影响，温度梯度和对流区深度均降低，且变化与Ω²成正比，这强烈影响对温度敏感的锂燃烧速率。
• 模型在无需引入额外的旋转混合或磁场设定的情况下，成功再现了观测到的自转与锂耗尽之间的反相关性。