[论文解读] The Monitor Project: Stellar rotation at 13~Myr: I. A photometric monitoring survey of the young open cluster h~Per

E. Moraux, S. A. Artemenko+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 34

一句话总结

本研究通过I波段多站点光度监测，首次对1300万年（13 Myr）龄的疏散星团h Persei中的586颗低质量恒星（0.4–1.4 M☉）进行了统计上可靠的旋转周期测量。结果揭示了从约0.2天到10天的旋转周期分布呈平坦分布，且在所有质量范围内均无显著的质量依赖性，支持了原行星盘耦合与恒星内核-包层解耦在主序前演化阶段的模型，并表明在500万年之后，少于10%的恒星仍保持与原行星盘的耦合状态。

ABSTRACT

We aim at constraining the angular momentum evolution of low mass stars by measuring their rotation rates when they begin to evolve freely towards the ZAMS, i.e. after the disk accretion phase has stopped. We conducted a multi-site photometric monitoring of the young open cluster h Persei that has an age of ~13 Myr. The observations were done in the I-band using 4 different telescopes and the variability study is sensitive to periods from less than 0.2 day to 20 days. Rotation periods are derived for 586 candidate cluster members over the mass range 0.4<=M/Msun<=1.4. The rotation period distribution indicates a sligthly higher fraction of fast rotators for the lower mass objects, although the lower and upper envelopes of the rotation period distribution, located respectively at ~0.2-0.3d and ~10d, are remarkably flat over the whole mass range. We combine this period distribution with previous results obtained in younger and older clusters to model the angular momentum evolution of low mass stars during the PMS. The h Per cluster provides the first statistically robust estimate of the rotational period distribution of solar-type and lower mass stars at the end of the PMS accretion phase (>10 Myr). The results are consistent with models that assume significant core-envelope decoupling during the angular momentum evolution to the ZAMS.

研究动机与目标

• 约束主序前阶段末期（PMS）低质量恒星的角动量演化，特别是盘吸积停止之后的演化。
• 填补恒星角动量演化中500万年到4000万年之间这一观测空白，该年龄区间在恒星角动量演化研究中长期缺乏数据。
• 提供约1300万年时太阳型及低质量恒星旋转周期的统计上可靠的数据库，该时期是恒星开始自由收缩至零本征序列（ZAMS）的关键阶段。
• 研究光度双星和场星污染对年轻星团中旋转周期分布的影响。

提出的方法

• 利用四台望远镜（CFHT/MegaCam、Maidanak 1.5m、ZTSh 2.6m 和 Byurakan天文台1m望远镜）对h Persei进行多站点光度监测。
• 在多个观测周期内收集I波段光度数据，以实现对<0.2天至20天周期的敏感探测。
• 通过光学与近红外颜色-星等图（CMD）中的经验等离子线确定候选星团成员，场星污染估计约为18%，基于Besançon银河系模型。
• 采用时间序列分析技术分析光曲线，识别由恒星黑子引起的周期性调制。
• 识别并排除光度双星（周期<1天），以避免其导致周期分布向短周期方向偏移。
• 将角动量演化模型与观测到的周期分布进行比较，推断核心-包层解耦的时间尺度和盘锁定期持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1300万年龄的疏散星团h Persei中，低质量恒星的旋转周期分布如何？其分布是否随恒星质量变化？
• RQ2 光度双星和场星污染在多大程度上影响年轻星团中观测到的旋转周期分布？
• RQ3 核心-包层解耦在主序前阶段如何塑造低质量恒星的角动量演化？
• RQ4 基于观测到的周期分布，恒星在旋转演化过程中与原行星盘耦合的时间有多长？
• RQ5 1300万年时观测到的周期分布能否与向ZAMS演化过程中的理论角动量演化模型相一致？

主要发现

• 本研究在h Persei星团中识别出586个低质量恒星（0.4–1.4 M☉）的旋转周期，提供了约1300万年时首个统计上可靠的样本，该年龄是主序前演化过程中的关键阶段。
• 旋转周期分布范围从约0.2天到约10天，且在15天附近存在明显的慢速旋转星尾部，且在上下包络中均未表现出显著的质量依赖性。
• 光度双星（周期<1天）显著地将周期分布向短周期方向拉偏，尤其在高质质量范围（M > 1.2 M☉）更为明显，其可能因潮汐相互作用而被同步。
• 在排除短周期双星后，剩余的508个周期在全部质量范围内表现出极为平坦的分布，表明不存在显著的质量依赖性自转减速或加速趋势。
• 观测到的周期分布与包含核心-包层解耦的模型一致，解耦时间尺度与表面自转速度成反比。
• 建模结果表明，少于10%的恒星在500万年之后仍保持与原行星盘的耦合，与当前对盘寿命的估计一致，支持恒星在约1300万年时进入自由收缩阶段并趋向ZAMS的演化路径。