[論文レビュー] Formation of undermassive single white dwarfs and the influence of planets on late stellar evolution

G. Nelemans, Thomas M. Tauris|arXiv (Cornell University)|May 31, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、太陽型の星が近接軌道にある質量の大きな惑星または褐色矮星を有する場合、巨星分枝期にその惑星を捕獲することで、共通エンvelope段階を引き起こし、エンvelopeを放出して低質量ヘリウムコアを残すことで、低質量の単一白色矮星（未達成白色矮星）が形成されると提案する。主な結果として、惑星の蒸発またはロッシュ・ローブの越境が、0.20–0.45 M☉の質量を有する孤立した未達成白色矮星を生成可能であり、これはWD 1353+409 や WD 1614+136 といった観測された系と整合的である。

ABSTRACT

We propose a scenario to form low-mass, single, slow rotating white dwarfs from a solar-like star accompanied by a massive planet, or a brown dwarf, in a relatively close orbit (e.g. HD 89707). Such white dwarfs were recently found by Maxted & Marsh (1998). When the solar-like star ascends the giant branch it captures the planet and the subsequent spiral-in phase expels the envelope of the giant leaving a low-mass helium white dwarf remnant. In case the planet evaporizes, or fills its own Roche-lobe, the outcome is a single undermassive white dwarf. The observed distribution of planetary systems supports the applicability of this scenario.

研究の動機と目的

• 標準的な単一星進化では生成できない、単一の低質量白色矮星（未達成、<0.5 M☉）の起源を説明すること。
• 合体モデルが予測する高回転と観測結果（低回転、v sin i < 50 km s⁻¹）との矛盾を解消すること。
• 質量の大きな惑星または褐色矮星が近接軌道にある場合、共通エンvelopeの排出を引き起こし、孤立した低質量白色矮星残骸を生成できるかを調査すること。
• 未達成白色矮星形成の代替機構として、惑星誘発共通エンvelope進化が二重星合体シナリオに代わって妥当であるかを評価すること。

提案手法

• エネルギー収支を用いて共通エンvelope段階をモデル化：軌道エネルギーの損失がエンvelopeの排出を駆動し、効率パラメータ ηce = 4 および λ = 0.5 を使用。
• エネルギー収支式を用いて最終的軌道分離距離を計算：af ≈ (ηceλ/2)(Mcore/mp)(Menv/M)Rg、ただし Mcore ≪ Menv を仮定。
• 音速と脱出速度の比較により惑星の蒸発を推定：cs² ≈ 2Gmp/(αrp)、温度プロファイルは T ≈ 1.78×10⁶ K (r/R☉)⁻⁰·⁸⁵ を使用。
• エンvelopeの温度と惑星のサイズに基づき、スパイラルイン中に蒸発が生じる臨界惑星質量（mcrit）を特定。
• 重力波放出による軌道減衰 timescale を用いてロッシュ・ローブ越境を評価し、tGW < 5 Gyr を満たすことで破壊が生じると仮定。
• 観測された系外惑星系（例：HD 89707、HD 140913）をテストケースとして用い、質量-周期空間における結果（排出、蒸発、破壊）をマッピング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽型の星の近接軌道に質量の大きな惑星または褐色矮星が存在する場合、共通エンvelope排出によって単一の低質量白色矮星が形成可能か？
• RQ2 惑星が巨星のエンvelope内にスパイラルインする過程で、蒸発、生存、破壊のいずれになるかを決定する質量および軌道周期の閾値は何か？
• RQ3 惑星の蒸発またはロッシュ・ローブ越境が、生成される白色矮星の最終的質量および回転特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 この惑星誘発共通エンvelopeシナリオは、WD 1353+409 や WD 1614+136 といった観測された未達成白色矮星と整合的か、特に低回転速度（v sin i < 50 km s⁻¹）を説明できるか？
• RQ5 予想される亜星対象の検出限界を考慮しても、観測された単一未達成白色矮星に伴う同伴星の欠如を、このメカニズムが説明可能か？

主な発見

• 巨星のエンvelope内へのスパイラルイン中に発生する惑星の蒸発は、エンvelope全体の排出を引き起こし、0.20–0.45 M☉の質量を有する単一の低質量ヘリウム白色矮星残骸を残す可能性がある。
• 初期惑星質量が約15 MJ未満の場合、顕著な軌道減衰よりも前に蒸発が生じ、最小限の角運動量移動を伴う単一の未達成白色矮星が生成される。
• 質量が15–25 MJの惑星は、スパイラルイン中にロッシュ・ローブを満たし、安定した公軌道を維持できないため破壊される。
• 質量が約25 MJを超える惑星は共通エンvelope段階を生き延びるが、重力波放出による減衰で後にスパイラルインする可能性があり、初期周期が10–20日未満であれば、tGW < 5 Gyr の時間スケールで破壊が予測される。
• このシナリオは、WD 1353+409 や WD 1614+136 の観測された低回転速度（v sin i < 50 km s⁻¹）をうまく説明でき、角運動量が排出されたエンvelopeに移動するためである。
• HD 89707 および HD 140913 は、惑星質量と軌道周期の観点から、このような単一未達成白色矮星を生成する上で最も有望な観測対象と特定された。