[論文レビュー] Binary evolution using the theory of osculating orbits: conservative Algol evolution

Philip Davis, L. Siess+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、アルゴル連星における保存的質量転移をモデル化するための接線軌道形式を導入し、質量転移流からの重力的力およびスピン-軌道結合を考慮する。結果として、流体に起因するトルクおよび自己降着の影響により、軌道の収縮が著しく促進され、古典的モデルが予測するよりも約4倍短い質量転移後の周期が得られることが示された。

ABSTRACT

Our aim is to calculate the evolution of Algol binaries within the framework of the osculating orbital theory, which considers the perturbing forces acting on the orbit of each star arising from mass exchange via Roche lobe overflow (RLOF). The scheme is compared to results calculated from a `classical' prescription. Using our stellar binary evolution code BINSTAR, we calculate the orbital evolution of Algol binaries undergoing case A and case B mass transfer, by applying the osculating scheme. The velocities of the ejected and accreted material are evaluated by solving the restricted three-body equations of motion, within the ballistic approximation. This allows us to determine the change of linear momentum of each star, and the gravitational force applied by the mass transfer stream. Torques applied on the stellar spins by tides and mass transfer are also considered. Using the osculating formalism gives shorter post-mass transfer orbital periods typically by a factor of 4 compared to the classical scheme, owing to the gravitational force applied onto the stars by the mass transfer stream. Additionally, during the rapid phase of mass exchange, the donor star is spun down on a timescale shorter than the tidal synchronization timescale, leading to sub-synchronous rotation. Consequently, between 15 and 20 per cent of the material leaving the inner-Lagrangian point is accreted back onto the donor (so-called `self-accretion'), further enhancing orbital shrinkage. Self-accretion, and the sink of orbital angular momentum which mass transfer provides, may potentially lead to more contact binaries. Even though Algols are mainly considered, the osculating prescription is applicable to all types of interacting binaries, including those with eccentric orbits.

研究の動機と目的

• ロゼ・ローブ・オーバーフロー（RLOF）中の摂動力の影響を考慮した物理的に整合性のある連星進化モデルの構築を目的とし、古典的仮定である軌道的角運動量保存の前提に挑戦すること。
• 質量転移流からの重力的力がアルゴル系における軌道的進化および星のスピンに与える影響を調査すること。
• 急速な質量転移中に、寄与星に戻る物質（自己降着）が軌道収縮をどのように強化するかを定量化すること。
• 非同期的星の回転が軌道的進化および系の安定性に与える影響を評価すること。
• アルゴル型連星に限らず、すべての相互作用的連星、特に離心率を有する系にも適用可能な一般枠組みを提供すること。

提案手法

• 質量転移流に起因する摂動力の下で時間変化する軌道パラメータをモデル化するため、接線軌道要素の理論を用いる。
• 弾道的近似に基づき、制限三体問題の運動方程式を用いて、放出および降着される物質の速度および運動量を計算する。
• 質量転移流が各星に及ぼす重力的力を計算し、式（63）を用いてその結果生じる軌道へのトルクを決定する。
• 潮汐的トルクおよびスピン-軌道結合を組み込み、質量転移中における寄与星の非同期的回転を許容する。
• 式（66）を用いて、RLOFおよび質量損失に起因する寄与を分離し、軌道的角運動量の合計変化を求める。
• 点質量および流体力がゼロである極限における古典的保存的質量転移規定と、接線形式の結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量転移流に起因する重力的力の組み込みが、保存的質量転移中のアルゴル連星の軌道的進化にどのように影響するか？
• RQ2 非同期的回転を示す系において、自己降着（寄与星に戻る物質）が軌道収縮にどの程度寄与するか？
• RQ3 急速な質量転移中、非同期的回転が軌道周期の進化に与える影響は何か？
• RQ4 連星進化において、角運動量保存の古典的仮定がどのような条件下で破綻するか？
• RQ5 接線形式は、古典的モデルと比較して、質量転移後の軌道周期をどのように改善して予測するか？

主な発見

• 接線形式は、流体に起因するトルクの影響により、古典的モデルと比較して通常約4倍短い質量転移後の軌道周期を予測する。
• 急速な質量転移中、寄与星は潮汐が同期化する時間スケールよりも速く減速し、潮汐時間スケールよりも短いスケールで非同期的回転を示す。
• 内ラグランジュ点から放出される物質の15％から20％が、寄与星に戻って降着される。この現象は「自己降着」と呼ばれる。
• 自己降着および流体による軌道的角運動量の吸収は、軌道収縮を強化し、接触連星の形成頻度を高める可能性がある。
• 星が点質量であり、流体力が無視され、降着速度が正確に軌道速度と反対方向である場合を除き、角運動量保存の古典的仮定は成立しない。
• この形式は一般性を持ち、アルゴル型系に限らず、離心軌道を有するすべての相互作用的連星に適用可能である。