[論文レビュー] Close binary evolution I. The tidally induced shear mixing in rotating binaries

Hanfeng Song, A. Maeder+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 31被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、近接連星系における潮汐誘発せん断混合（TISM）を調査し、潮汐が星の回転を減速させることもあれば加速させることもあり、強い内部の相対回転速度勾配と効率的な元素混合を引き起こすことを示している。主な結果として、TISMは質量移移の前段階で窒素表面濃縮を顕著に強化するが、中緯度循環が潮汐効果を相殺し、標準的推定値を上回る同期化 timescale を延長することが分かった。

ABSTRACT

We study how tides in a binary system induce some specific internal shear mixing, able to substantially modify the evolution of close binaries prior to mass transfer. We construct numerical models accounting for tidal interactions, meridional circulation, transport of angular momentum, shears and horizontal turbulence and consider a variety of orbital periods and initial rotation velocities. Depending on orbital periods and rotation velocities, tidal effects may spin down (spin down Case) or spin up (spin up Case) the axial rotation. In both cases, tides may induce a large internal differential rotation. The resulting tidally induced shear mixing (TISM) is so efficient that the internal distributions of angular velocity and chemical elements are greatly influenced. The evolutionary tracks are modified, and in both cases of spin down and spin up, large amounts of nitrogen can be transported to the stellar surfaces before any binary mass transfer. Meridional circulation, when properly treated as an advection, always tends to counteract the tidal interaction, tending to spin up the surface when it is braked down and vice versa. As a consequence, the times needed for the axial angular velocity to become equal to the orbital angular velocity may be larger than given by typical synchronization timescales. Also, due to meridional circulation some differential rotation remains in tidally locked binary systems.

研究の動機と目的

• 潮汐相互作用が近接連星系でどのようにせん断混合を誘発するか、星の進化に与える影響を理解すること。
• 中緯度循環が潮汐による減速または加速をどのように相殺するかを検討すること。
• 潮汐誘発せん断回転が角運動量輸送および元素混合に与える影響を定量化すること。
• TISMの観測的影響、特に窒素表面濃縮および回転進化に与える影響を評価すること。
• 広義的輸送に基づく中緯度循環を組み込むことで、同期化 timescale の推定値を改善すること。

提案手法

• 潮汐相互作用、中緯度循環、角運動量輸送、せん断混合を含む近接連星系進化の数値モデル化。
• Toledanoら（2007）に基づく乱流粘性係数モデルを用いた潮汐減速の組み込み、$\tau_{\mathrm{sync,turb}} \propto q^{-2}(R/a)^{-6}$。
• 角運動量輸送を正しくモデル化するため、拡散近似ではなく広義的輸送に基づく中緯度循環の使用。
• 水平方向の乱流とそのせん断混合効率の向上に果たす役割のモデル化。
• さまざまな初期軌道周期および回転速度における、潮汐効果ありとなしの進化軌道の比較。
• 表面組成の進化、内部回転プロファイル、同期化 timescale の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接連星系における潮汐相互作用は、星の軸対称回転にどのように影響し、減速または加速を引き起こすか？
• RQ2 潮汐誘発せん断混合（TISM）は、角速度および元素の内部分布にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 広義的輸送として扱われる中緯度循環は、潮汐減速または加速への反応にどのように影響するか？
• RQ4 Roche極限の溢出（RLOF）の前段階で、TISMは窒素表面濃縮にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 広義的輸送に基づく循環を組み込む場合と標準的な拡散モデルとを比較したとき、同期化 timescale はどのように異なるか？

主な発見

• 潮汐相互作用は初期条件に応じて星の表面を減速または加速させることができ、強い内部の相対回転速度勾配を引き起こす。
• 潮汐誘発せん断混合（TISM）は非常に効率的であり、質量移移の前段階で星の表面に顕著な窒素濃縮を引き起こす。
• 中緯度循環は常に潮汐効果を相殺し、同期化プロセスを遅らせて、$\Omega = \omega_{\rm orb}$ に達するまでの時間を延長する。
• 減速および加速の両ケースにおいて、TISMは表面窒素濃度を高め、特に減速ケースでは初期軌道周期が長い場合にその効果が顕著になる。
• 潮汐ロック状態にある系ですら、中緯度循環の相殺的影響により、依然として差動回転が持続する。
• 広義的輸送に基づく循環を適切に考慮した場合、同期化までの timescale は標準的推定値を上回ることがある。