[论文解读] The spin-up of contracting red supergiants

Alexander Heger, N. Langer|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种机制，解释了在质量损失过程中，由于角动量守恒，收缩的红超巨星如何实现自转加速。当恒星在其对流包层中损失外层质量但仍保留角动量时，其单位角动量增加，导致表面自转加快——在一颗12 M☉的恒星中得到验证，该恒星在离开红超巨星分支后达到临界自转速度。

ABSTRACT

We report on a mechanism which may lead to a spin-up of the surface of a rotating single star leaving the Hayashi line, which is much stronger than the spin-up expected from the mere contraction of the star. By analyzing rigidly rotating, convective stellar envelopes, we qualitatively work out the mechanism through which these envelopes may be spun up or down by mass loss through their lower or upper boundary, respectively. We find that the first case describes the situation in retreating convective envelopes, which tend to retain most of the angular momentum while becoming less massive, thereby increasing the specific angular momentum in the convection zone and thus in the layers close to the stellar surface. We explore the spin-up mechanism quantitatively in a stellar evolution calculation of a rotating 12 M_sun star, which is found to be spun up to critical rotation after leaving the red supergiant branch. We discuss implications of this spin-up for the circumstellar matter around several types of stars, i.e., post-AGB stars, B[e] stars, pre-main sequence stars, and, in particular, the progenitor of Supernova 1987A.

研究动机与目标

• 研究恒星在后主序演化过程中，旋转红超巨星自转加速的物理机制。
• 理解对流包层的质量损失如何影响大质量恒星中角动量的重新分布。
• 探讨表面自转增强对后AGB恒星、B[e]星以及SN 1987A前身星演化及其周围环境的影响。
• 量化12 M☉恒星演化模型中的自转加速效应。
• 确定质量损失是否能在恒星离开红超巨星阶段后使其达到临界自转速度。

提出的方法

• 通过建模刚性旋转的对流恒星包层，分析质量损失过程中的角动量输运。
• 在球对称框架下应用角动量守恒，追踪质量损失过程中单位角动量的变化。
• 使用恒星演化代码模拟12 M☉旋转恒星在红超巨星阶段的演化过程。
• 分析收缩和质量损失过程中对流区与表面层的行为，以确定自转加速速率。
• 将理论预测与后AGB恒星及SN 1987A前身星的自转观测约束进行比较。
• 通过后处理分析恒星包层中角动量的演化，以量化自转加速效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 收缩的红超巨星外层质量损失是否会导致表面自转显著加速，超出仅由收缩预期的水平？
• RQ2 在对流包层中角动量守恒如何影响质量损失过程中的单位角动量？
• RQ3 质量损失在多大程度上可使12 M☉恒星在离开红超巨星分支后达到临界自转速度？
• RQ4 该自转加速机制对B[e]星和后AGB恒星周围环境有何影响？
• RQ5 该机制是否能为SN 1987A前身星中观测到的快速自转提供合理解释？

主要发现

• 收缩的红超巨星外层质量损失可因对流包层中角动量守恒而引起显著的自转加速。
• 随着质量损失，对流区中的单位角动量增加，导致表面自转增强。
• 在12 M☉恒星演化模型中，恒星在离开红超巨星分支后被加速至临界自转速度。
• 由于质量损失过程中角动量的保留，该自转加速效应强于仅由收缩引起的效应。
• 该机制为后AGB恒星和B[e]星的快速自转提供了合理的物理解释。
• 研究结果表明，SN 1987A前身星可能在红超巨星阶段通过该机制被显著自转加速。