[论文解读] The Rotation of Young Low-Mass Stars and Brown Dwarfs

W. Herbst, J. Eisloêffel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文综述了年轻低质量恒星和棕矮星的自转周期与角动量演化观测数据，揭示了盘介质制动在约5 Myr内减缓自转，而磁制动在低质量天体中效率较低。关键结果表明，在1 Myr时出现双峰周期分布，快速自转天体角动量守恒，慢速自转天体通过盘相互作用损失角动量，暗示巨行星形成存在一个狭窄窗口（约1 Myr）。

ABSTRACT

We review the current state of our knowledge concerning the rotation and angular momentum evolution of young stellar objects and brown dwarfs from a primarily observational view point. Periods are typically accurate to 1% and available for about 1700 stars and 30 brown dwarfs in young clusters. Discussion of angular momentum evolution also requires knowledge of stellar radii, which are poorly known for pre-main sequence stars. It is clear that rotation rates at a given age depend strongly on mass; higher mass stars (0.4-1.2 M$_\odot$) have longer periods than lower mass stars and brown dwarfs. On the other hand, specific angular momentum is approximately independent of mass for low mass pre-main sequence stars and young brown dwarfs. A spread of about a factor of 30 is seen at any given mass and age. The evolution of rotation of solar-like stars during the first 100 Myr is discussed. A broad, bimodal distribution exists at the earliest observable phases ($\sim$1 Myr) for stars more massive than 0.4 M$_\odot$. The rapid rotators (50-60% of the sample) evolve to the ZAMS with little or no angular momentum loss. The slow rotators continue to lose substantial amounts of angular momentum for up to 5 Myr, creating the even broader bimodal distribution characteristic of 30-120 Myr old clusters. Accretion disk signatures are more prevalent among slowly rotating PMS stars, indicating a connection between accretion and rotation. Disks appear to influence rotation for, at most, $\sim$5 Myr, and considerably less than that for the majority of stars. If the dense clusters studied so far are an accurate guide, then the typical solar-like star may have only $\sim$1 Myr for this task. It appears that both disk interactions and stellar winds are less efficient at braking these objects.

研究动机与目标

• 理解年轻低质量恒星和棕矮星在主序前阶段角动量演化的观测约束。
• 确定吸积盘和恒星风在恒星与亚恒星质量函数范围内对自转制动的作用。
• 评估盘介质角动量损失的时间尺度及其对行星形成的影响。
• 研究磁制动在低质量天体和棕矮星中相对于太阳型恒星的效率。
• 评估旋转变异性与黑子活动对周期测量及角动量演化的影响。

提出的方法

• 利用1–2米望远镜进行大视场光变监测，测量年轻星团（如ONC、NGC 2264、IC 348）中主序前恒星和棕矮星的自转周期。
• 通过表面黑子引起的光度调制，以约1%的精度测量自转周期，且与倾角无关。
• 结合恒星半径估计值计算单位质量角动量（j = J/M），并追踪其演化。
• 分析自转周期与吸积盘特征（如发射线、红外超量）的相关性，推断盘-自转耦合关系。
• 比较不同年龄（1 Myr至120 Myr）下的周期分布，推断角动量损失的时间尺度。
• 通过对比恒星与棕矮星的自转演化，评估磁制动的作用，注意到低质量天体中效率降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸积盘在多长时间尺度内显著影响年轻低质量恒星和棕矮星的自转？
• RQ2 为何在约1 Myr时出现自转周期的双峰分布，其在前100 Myr内如何演化？
• RQ3 盘制动与恒星风导致的角动量损失效率如何随质量变化，特别是在棕矮星区域？
• RQ4 磁活动与日冕风在年轻低质量天体中对自转制动的贡献有多大？
• RQ5 基于吸积盘寿命与自转演化，巨行星形成可用时间的上限是多少？

主要发现

• 在年轻星团（1–120 Myr）中，自转周期在约1 Myr时呈现双峰分布，约50–60%的恒星快速自转，其余为慢速自转，表明角动量演化早期即发生分异。
• 慢速自转天体在约5 Myr内损失了大量角动量，而快速自转天体则近乎保持角动量守恒，与向主序零点（ZAMS）收缩一致。
• 吸积盘特征在慢速自转天体中更为普遍，表明在前约5 Myr内，盘制动是角动量损失的主要机制。
• 从近红外研究推断的盘最大寿命（约5 Myr）与观测到的自转制动时间尺度一致，表明在典型类太阳系统中，巨行星形成存在约1 Myr的窗口期。
• 盘制动在低质量恒星和棕矮星中效率较低，且由于温度较低和日冕活动减弱，棕矮星的磁制动作用显著弱于恒星。
• 棕矮星的最长周期在200 Myr后仍保持较低水平（如<10天），与收缩过程中的角动量守恒及长期制动微弱一致。