[論文レビュー] Binary Evolution Leads to Two Populations of White Dwarf Companions

David S. Spiegel|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、星の白色矮星以降の進化における二重星の進化が、自然に二つの異なる白色矮星の同伴を生じることを提案している。それは、共通エンvelope段階を生き残った短周期軌道にある同伴と、それを避けた長周期軌道にある同伴である。主な結果は、潮汐不安定性と共通エンvelope力学に起因して、これらの二つのグループの間で軌道周期のギャップが予測されることである。

ABSTRACT

Planets and other low-mass binary companions to stars face a variety of potential fates as their host stars move off the main sequence and grow to subgiants and giants. Stellar mass loss tends to make orbits expand, and tidal torques tend to make orbits shrink, sometimes to the point that a companion is directly engulfed by its primary. Furthermore, once engulfed, the ensuing common envelope (CE) phase can result in the companion becoming fully incorporated in the primary's envelope; or, if the companion is massive enough, it can transfer enough energy to eject the envelope and remain parked in a tight orbit around the white dwarf core. Therefore, ordinary binary evolution ought to lead to two predominant populations of planets around white dwarfs: those that have been through a CE phase and are in short-period orbits, and those that have entirely avoided the CE and are in long-period orbits.

研究の動機と目的

• 星の低質量同伴が白色矮星以降の進化段階でどのように動的運命をたどるかを理解すること。
• 潮汐力と共通エンvelope（CE）進化が、白色矮星の同伴の軌道分布にどのように影響を与えるかを調査すること。
• 白色矮星同伴の観測された二峰性分布を、安定な軌道拡大と潮汐的内向き落下の遷移をモデル化することで説明すること。
• 標準的な二重星進化経路を用いて、亜地球サイズの惑星が亜水平素ブランケット星（例：KOI-55）の周りに存在しうるかを評価すること。
• 白色矮星の周りの惑星系が、現地形成によって形成されるのか、それとも以前の星の進化を生き延びる必要があるのかを特定すること。

提案手法

• 主星が白色矮星以降の進化段階で膨張する二重星系における潮汐トルクの進化をモデル化すること。
• 星の質量損失に起因する外向きの軌道拡大から、星の慣性モーメントの増加に伴い内向き落下に移行する遷移を分析すること。
• 共通エンvelope（CE）エネルギー予算の議論を適用し、同伴がエンベロープを生き延びて脱出できるかどうかを決定すること。
• 軌道安定性とN体問題の考察を用いて、KOI-55のような複数の近軌道惑星の存在可能性を評価すること。
• Kozai移行と共振捕獲が、密な軌道の同伴を形成する代替経路として果たす役割を評価すること。
• 理論的軌道周期分布を、白色矮星同伴および系外惑星探査からの観測的制約と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量同伴が共通エンベロープ段階を生き延びられるか、あるいは星の進化中に潮汐的に破壊されるかを決定づける要因は何か？
• RQ2 白色矮星同伴の間で予測される軌道周期のギャップはなぜ生じるのか。その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 KOI-55の周囲に見られる亜地球サイズの惑星候補は、標準的な二重星進化によって説明可能か。それとも特異な形成メカニズムを要するのか？
• RQ4 星の質量損失と潮汐進化にもかかわらず、飲み込まれるのを避け、長周期軌道にとどまるために必要な条件は何か？
• RQ5 潮汐不安定性と主星の慣性モーメントの変化が、準巨星および巨星段階における同伴の軌道進化にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 膨張する星の慣性モーメントの増加に伴い、潮汐トルクが外向きの移動から急速な内向き落下に逆転し、近軌道の同伴が飲み込まれる。
• 共通エンベロープ段階を生き延びた同伴は短周期軌道に、それを避けた同伴は長周期軌道にいると予想され、二峰性分布が生じる。
• 共通エンベロープ段階中における中間軌道の不安定性に起因して、二つのグループの間で軌道周期のギャップが予測される。
• 質量が約6木星質量未満の惑星は、標準的なCE進化によって生存またはエンベロープを脱出することは困難であり、密な軌道に到達することはほとんどありえない。
• KOI-55の周囲の亜地球サイズの惑星は、標準的な共通エンベロープ進化によって形成された可能性は低く、その低質量ではエンベロープを解体するのに十分なエネルギーを供給できないためである。
• 代替的なシナリオ、例えば質量の大きなコアの潮汐的破壊、またはKozaiメカニズムによるCE後の移行が、KOI-55惑星の現在の軌道を説明する上でより現実的である。