[論文レビュー] Faint intermediate luminosity optical transients (ILOTs) from engulfing exoplanets on the Hertzsprung gap

Omer Gurevich, Ealeal Bear+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 96被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、ヘルツシュプルングギャップ付近の低質量星に飲み込まれた系外惑星が、共通エンvelope進化を経て微弱な中程度光度の光的瞬時変光（ILOT）を生成すると提案している。MESA二重星シミュレーションを用いて、既知のILOTであるV1309 Scoから luminosity と持続時間をスケーリングし、木星質量の惑星が数日間、太陽の約6,000倍の光度を持つILOTを生成すると推定した。これは古典的新星のレベル未満であり、共通エンvelope段階における合体物理学をより単純に探る手がかりを提供する。

ABSTRACT

We follow the evolution of four observed exoplanets to the time when the respective parent star of each planet evolves off the main sequence and engulfs its planet to start a common envelope evolution (CEE), concluding that in each case this process powers an intermediate luminosity optical transient (ILOT; luminous red nova). We characterise the final thousands of days of the orbital decay towards a CEE and determine the properties of the star at the onset of the CEE. We scale the properties of the ILOT V1309 Scorpii to the properties of a planet that enters a CEE inside a star on and near the Hertzsprung gap to estimate the duration and luminosity of the expected ILOT. Based on these we estimate that for a planet of Jupiter mass the ILOT will last for several days and reach a luminosity of several thousand solar luminosity. This type of ILOTs are less luminous than classical novae. Because of the small amount of expected dust and the small amount of energy that an accretion process onto the planet can release, such ILOTs can teach us on the merger at the onset of CEE of stellar companions. Our study adds to the variety of ILOTs that planets can power as they interact with a more massive companion.

研究の動機と目的

• 低質量星のヘルツシュプルングギャップ付近で飲み込まれた系外惑星が、観測可能な中程度光度の光的瞬時変光（ILOT）を発生させ得るかどうかを調査すること。
• 星の質量が0.85 M☉を超える4つの観測済みの系外惑星系について、最終的軌道減衰と共通エンvelope進化（CEE）段階をモデル化すること。
• よく研究されたILOT V1309 Scoからのスケーリングを用いて、惑星誘発CEEによるILOTの光度と持続時間を推定すること。
• 星の二重星によるILOTと比較して、このような微弱で短期間のILOTが合体物理学の理解に単純なプローブとして機能する可能性を検討すること。
• 特にほこりの含有量が少なく、透明性が高いことから、惑星駆動ILOTの検出可能性と観測的特徴を評価すること。

提案手法

• 初期質量が0.85 M☉を超える星を対象として、MESA-binary星進化コードを用いて4つの系外惑星系の進化をシミュレーションした。
• 惑星の近日点距離が星の半径を下回るまで軌道減衰を追跡し、共通エンvelope進化（CEE）の開始を示した。
• ILOT V1309 Scoからのスケーリング関係を適用し、CEEの直前10,000日間の観測された軌道減衰プロファイル（P = A exp(B/(t−t₀)）を用いて、最終段階をモデル化した。
• エネルギーと拡散時間スケールの議論を用いて、ILOTの光度と時間スケールを推定した：τILOT ≈ 3 (Mp/MJ)¹ᐟ² (κ/1 cm²/g⁻¹)¹ᐟ² (∆rs/0.3rs)¹ᐟ² (vs/200 km s⁻¹)⁻¹ᐟ² 日。
• 球状の噴出物を仮定し、放射拡散時間 tdiff ≈ 55 (Mej/0.05M⊙)(κ/1 cm²/g⁻¹)(rs/5×10¹³ cm)⁻¹(∆rs/0.3rs) 日を用いて光度を推定した。
• 全放射エネルギーを Erad ≈ 6×10⁴² (Mp/MJ) erg とスケーリングし、LILOT ≈ 6,000 (Mp/MJ)¹ᐟ² L☉ を LILOT = Erad / τILOT により導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量星のヘルツシュプルングギャップ付近で飲み込まれた系外惑星が、観測可能なILOTを生成できるか？
• RQ2 惑星誘発共通エンvelope進化によって駆動されるILOTの予想される光度と持続時間は、古典的新星と比較してどうなるか？
• RQ3 惑星が関与するCEEによって生じるILOTの物理的性質は、星の同伴によって駆動されるものとどのように異なるか？
• RQ4 V1309 Sco ILOTが、低質量の惑星同伴からのILOT推定にスケーリングテンプレートとしてどれほど適しているか？
• RQ5 観測的特徴（例：光曲線の形状、ほこりの含有量、透明性）によって、惑星駆動ILOTは他の瞬時変光タイプとどのように区別できるか？

主な発見

• 初期質量が0.85 M☉を超える4つの観測済みの系外惑星系を、共通エンvelope進化（CEE）の開始に至るまでシミュレーションした結果、ヘルツシュプルングギャップ付近で飲み込みが発生することが確認された。
• CEEの直前10,000日間の軌道減衰プロファイルは、ILOT V1309 Scoとよく一致しており、そのスケーリングパラメータの使用が妥当であることが裏付けられた。
• 木星質量の惑星の場合、推定されるILOTの持続時間は約3日、光度は約6,000 L☉であり、両方の観点で古典的新星のレベル未満に位置づけられる。
• 全放射エネルギーは、木星質量の惑星に対して約6×10⁴² erg と推定され、軌道エネルギーのわずか (~10⁻⁴) に過ぎず、微弱な瞬時変光の挙動と整合的である。
• 噴出物質量が低く、ほこりの含有量も少ないため、惑星駆動ILOTは星の二重星によるILOTよりも透明性が高く、放射拡散が早期に進行すると予想される。
• このような微弱で短期間のILOTは、星の二重星合体に伴う降着エネルギーとジェット形成が見られないため、共通エンvelope進化の物理を研究するより単純な系として有用である。