Gravity-mode main-sequence pulsators in the open clusters NGC 3532 and NGC 2516: Instability strip, near-core rotation, and internal structure

技术摘要：NGC 3532 与 NGC 2516 开星团中的引力模主序脉动星

问题陈述
虽然质量和化学组成是恒星演化的主要决定因素，但内部旋转及其对输运过程的影响仍未得到充分理解。现有的早期型主序星（$M \gtrsim 1.5 M_\odot$）观测证据主要局限于表面性质（例如 $v \sin i$）。在内部旋转轮廓、其随年龄的演化以及对内部物质输运的影响方面，缺乏显著的观测校准。星震学提供了一个探测这些内部结构的途径，但推导野外恒星的年龄会引入巨大的不确定性。开星团提供了一个解决方案，因为其成员星具有共同的年龄、距离和化学组成，从而允许对不同年龄下的旋转演化进行比较研究。

方法论
本研究重点关注年轻开星团 NGC 3532（约 300 Myr）并将其与更年轻的 NGC 2516（约 130 Myr）进行对比。研究方法包括：

1. 数据获取与处理： 利用了来自凌日系外行星巡天卫星（TESS）的光度数据。使用 tessutils2 流水线从全帧图像（FFIs）中提取光变曲线，通过主成分分析（PCA）和高通滤波进行优化的孔径光度测量并去除系统趋势。
2. 成员身份与样本选择： 成员星通过 Pang 等人 (2022) 的目录进行识别，并利用 $T_{\text{eff}} \gtrsim 6500$ K 的温度限制进行精炼，以筛选早期型脉动星。进行了污染检查以确保通量纯度。
3. 星震学分析： 生成 Lomb–Scargle 周期图，并通过迭代预白化提取频率。研究重点在于识别引力模（g-mode）周期间隔模式。对于具有清晰模式的恒星，应用了旋转传统近似法（TAR）来测量近核旋转速率（$f_{\text{rot}}$）和渐近周期间隔（$\Pi_0$）。
4. 恒星参数： 在观测到的颜色-亮度图（CMDs）上使用非旋转 PARSEC 模型 (v2.0S) 进行等龄线拟合，以确定星团年龄、消光和恒星质量。使用主序带的蓝边作为主要约束，以避免旋转模型带来的不确定性。
5. 模型比较： 将观测到的近核旋转速率与现有的包含角动量（AM）输运的恒星演化模型（Mombarg et al. 2024a）进行比较。此外，还构建了假设刚性旋转和角动量守恒的简化玩具模型，以测试两个星团间初始旋转速率的一致性。

关键结果

• 不稳定带： 本研究约束了年轻（$\lesssim 300$ Myr）$\gamma$ Doradus 星的不稳定带（IS）观测范围。发现红边位于 $T_{\text{eff}} \approx 7070$ K，蓝边位于 $T_{\text{eff}} \approx 7760$ K。该不稳定带比某些理论预测（如 Bouabid et al. 2013）更热，但与 Dupret et al. (2005) 的理论不稳定带下界一致。研究还探测到了数颗温度高于经典不稳定带的 g-mode 脉动星。
• 旋转-质量关系： 在两个星团中均观察到明显的旋转-质量关系，并以 $\sim 1.6 M_\odot$ 为阈值进行区分：
  • 低于 $1.6 M_\odot$： 近核旋转速率随恒星质量增加而增加。这一趋势归因于磁化恒星风（磁制动）作用于具有较厚对流层的恒星。
  • 高于 $1.6 M_\sigma$： 恒星达到旋转平台期。在 NGC 3532 中，高质量恒星的旋转速率约为 $2.8 \text{ d}^{-1}$；而在 NGC 2516 中，约为 $3.0 \text{ d}^{-1}$。这表明存在减速趋势，速率约为 $-0.0009 \text{ d}^{-1} \text{ Myr}^{-1}$。
• 角动量输运： 现有的演化模型（Mombarg et al. 2024a）即使假设初始旋转速率为临界值的 55%，也无法重现观测到的高旋转速率。模型预测的旋转速率系统性地偏低。
• 初始旋转约束： 假设角动量守恒的简化模型表明，为了匹配观测结果，初始旋转速率必须高于临界值的 55%。此外，单一的初始旋转速率无法同时解释两个星团的旋转特性，这意味着在高于 $1.6 M_\odot$ 的恒星中也存在非均匀的初始旋转分布，或者存在微小的角动量损失机制。
• $\Pi_0$ 差异： 观测到的渐近周期间隔（$\Pi_0$）与理论值之间存在差异。在 NGC 2516 中，观测到的 $\Pi_0$ 值随质量变化几乎平坦，而模型预测则会增加。在 NGC 3532 中，部分恒星的 $\Pi_0$ 值大于模型预测值。

意义与主张
本文声称通过对两个开星团进行比较星震学分析，来追踪中间质量恒星内部旋转的演化。其主要意义在于：

1. 确定阈值： 确立了 $\sim 1.6 M_\odot$ 为区分不同旋转减速机制（磁制动 vs. 内部角动量输运）的关键质量阈值。
2. 挑战现有模型： 证明了基于银河系野外恒星校准的现有一维恒星演化模型，难以重现年轻且快速旋转的星团恒星的旋转速率和 $\Pi_0$ 值。这些模型需要更高的初始旋转速率，并且可能需要不同的初始条件。
3. 内部结构校准： 强调了观测到的 $\Pi_0$ 与理论预测之间的张力，表明目前的模型尚未完全校准快速旋转者中表面性质、核心结构以及角动量/化学输运之间的耦合关系。
4. 未来方向： 作者得出结论，解决这些差异可能需要更复杂的建模，例如引入能够一致考虑离心变形、旋转混合和角动量输运的二维恒星结构，而非仅仅依赖于一维近似。

本研究并非提出新的实验设置，而是强调了完善理论框架的必要性，以匹配开星团提供的的高精度内部旋转诊断。