The effects of wind energetics on the angular momentum outflow from late-type stars

Abstract

Sun-like and low-mass stars (i.e. late-type stars) possess high temperature coronae and lose mass in the form of stellar (or coronal) winds, driven by thermal pressure and complex magnetohydrodynamic processes. The effect of coronal winds on the stellar mass during a star's main-sequence life is relatively small, but they have an enormous impact on stellar rotation by exerting a spin-down torque on the stellar surface, a mechanism known as magnetic braking. The critical parameter, which determines the stellar-angular momentum loss, is the Alfvén radius, the radius at which the flow reaches the local Alfvénic speed. This critical radius represents the effective lever-arm of the outflow and determines the efficiency of the braking torque. From a theoretical perspective, the objective is to provide analytic stellar-torque prescriptions based on fundamental stellar parameters (e.g. stellar mass, radius, rotation rate, magnetic-field properties, and coronal conditions). Studies, employing multidimensional stellar wind simulations, demonstrated that the effective lever arm (or Alfvén radius) scales as a power law with a quantity called the wind magnetization, which depends on stellar parameters (i.e stellar mass, radius, mass-loss rate, and surface magnetic field strength). Using this method, we investigate how the wind energetics, which affect the flow velocity and acceleration profile, can influence the magnetic braking of late-type stars. In this work, with the use of 2.5D stellar-wind numerical simulations, we show that a faster wind has a smaller magnetic lever arm, and therefore the braking torque exerted on the star decreases. We derive new predictive torque formulae that quantify this effect over a wide range of flow acceleration profiles. We further show how numerical-diffusion effects (due to different approaches in the simulation setup) can influence the accuracy of the torque prescriptions presented here.

Τα άστρα Ύστερου Τύπου (δηλαδή, άστρα χαμηλής μάζας ή αστρα φασματικού τύπου παρόμοιου με αυτόν του Ήλιου και ) διαθέτουν υψηλής θερμοκρασίας ατμόσφαιρες (η αστρικές κορώνες) και χάνουν μάζα με τη μορφή αστρικών ανέμων, οι οποίοι κινούνται λόγω θερμικής πίεσης και πολύπλοκων μαγνητοϋδροδυναμικών διαδικασιών. Η επίδραση των ανέμων στη μάζα του άστρου κατά τη διάρκεια της ζωής του άστρου στην Κύρια Ακολουθία είναι σχετικά μικρή, αλλά έχουν τεράστια επίπτωση στην περιστροφή του άστρου, ασκώντας μια ροπή, η οποία επιβραδύνει την ταχύτητα περιστροφής του άστρου. Ο μηχανισμός αυτός είναι επίσης γνωστός ως μαγνητικό φρενάρισμα. Ο κρίσιμος παράγοντας που καθορίζει τη απώλεια της αστρικής στροφορμής είναι η ακτίνα Αλφβέν, η ακτίνα δηλαδή στην οποία η αστρική εκροή φτάνει την τοπική ταχύτητα Αλφβέν. Αυτή η κρίσιμη ακτίνα καθορίζει την αποδοτικότητα του μαγνητικού φρεναρίσματος. Από θεωρητική άποψη, ο στόχος είναι να παρασχουμε αναλυτικούς τύπους ροπής, οι οποίοι θα βασιζόνται σε θεμελιώδεις παραμέτρους του άστρου (π.χ. μάζα, ακτίνα, ρυθμό περιστροφής, ιδιότητες μαγνητικού πεδίου και θερμοκρασία της αστρικής κορώνας). Μελέτες, χρησιμοποιώντας πολυδιάστατες προσομοιώσεις αστρικών ανέμων, απέδειξαν ότι η μαγνητική ροπή που ασκείται από τον άνεμο στην επιφάνεια του άστρου εξαρτάται από μια ποσότητα που ονομάζεται μαγνητικότητα του ανέμου, η οποία περιέχει βασικές παραμέτρους του άστρου όπως η μάζα, η ακτίνα, ο ρυθμός απώλειας μάζας και η ένταση μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια στου άστρου. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, ερευνούμε πώς η ενεργειακή συμπεριφορά του ανέμου, που καθορίζει την ταχύτητα και το προφίλ επιτάχυνσης της εκροής, μπορεί να επηρεάσει το μαγνητικό φρενάρισμα των άστρων Ύστερου Τύπου. Σε αυτή τη εργασία, με τη χρήση 2.5D αριθμητικών προσομοιώσεων αστρικών ανέμων, δείχνουμε ότι ένας γρηγορότερος άνεμος έχει μικρότερη ακτίνα Αλφβέν και κατά συνέπεια η ροπή που ασκείται στο άστρο μειώνεται. Η εργασία αυτή παρέχει νέες προγνωστικές φόρμουλες για τη μαγνητική ροπή λόγω αστρικών ανέμων που ποσοτικοποιούν αυτό το φαινόμενο σε ένα ευρύ φάσμα προφίλ επιτάχυνσης της ροής. Επιπλέον, δείχνουμε πώς οι επιπτώσεις της αριθμητικής διάχυσης μπορούν να επηρεάσουν την ακρίβεια των αναλυτικών τύπων ροπής που εμπεριέχονται σε αυτή την εργασία.