[論文レビュー] Hot Jupiter engulfment by a red giant in 3D hydrodynamics

Mike Y. M. Lau, Matteo Cantiello+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、1 $M_{\rm{J}}$ のホットジュピターが1 $M_{\odot}$ の赤超巨星に飲み込まれる3次元流体力学的シミュレーションを実施し、惑星を多項指数 $n = 3$ の多項指数的ガス球としてモデル化した。その結果、惑星質量のおよそ90％が対流層で蒸発し、表面リチウムが約0.1 dex増加する一方、わずかなスピンアップ（約1 km s$^{-1}$）と、再結合または抵抗加熱によって駆動される一時的な光学的トランスジェントの可能性が示された。

ABSTRACT

Hot Jupiters are gas giant planets with orbital periods of a few days and are found in 0.1-1% of Sun-like stars. They are expected to be engulfed during their host star's radial expansion on the red giant branch, which may account for observed rapidly rotating and chemically enriched giant stars. We performed 3D hydrodynamical simulations of hot Jupiter engulfment by a 1 solar mass, 4 solar radii early red giant. Our 'global' simulations simultaneously resolve the stellar envelope and planetary structure, modelling the hot Jupiter as a polytropic gas sphere. The hot Jupiter spirals in due to ram-pressure drag. A substantial fraction of its mass is continuously ablated in this process, although the mass-loss rate is resolution dependent. We estimate that this could enhance the surface lithium abundance by up to 0.1 dex. The hot Jupiter is disrupted by a combination of ram pressure and tidal forces near the base of the convective envelope, with the deepest material penetrating to the radiative zone. The star experiences modest spin-up (~ 1 km/s), and engulfing a more massive companion may be required to produce a rapidly rotating giant. Drag heating near the surface and hydrogen recombination in the small amount of unbound ejecta recorded in the simulation could power an optical transient, although this needs to be confirmed by a calculation that has adequate resolution at the stellar surface.

研究の動機と目的

• ホットジュピターの赤超巨星への飲み込みを、星と惑星の両方の構造を同時に解像する3次元流体力学的シミュレーションで再現すること。
• 惑星の飲み込み過程における質量蒸発、角運動量移動、化学元素の豊度変化を定量すること。
• 表面リチウム増加、星のスピンアップ、明るいトランスジェントといった観測可能な痕跡が生じる可能性を評価すること。
• 数値的解像度や加熱効果の変動に対する結果の頑健性を検証すること。
• 惑星の飲み込みがリチウム豊富で高速回転する巨星の形成に寄与する条件を探索すること。

提案手法

• 1 $M_{\odot}$ の赤超巨星と1 $M_{\rm{J}}$ のホットジュピターの相互作用を、スムージング粒子流体力学（SPH）コードを用いて3次元流体力学的シミュレーションでモデル化した。
• 惑星は多項指数 $n = 3$ の多項指数的ガス球としてモデル化され、内部構造と蒸発の両方を自己無撞撃的に取り扱えるようにした。
• シミュレーションは星の包層と惑星内部を包括的に解像し、飲み込み過程全般にわたり、衝撃圧力、潮汐力、対流混合の挙動を捉えた。
• 母星は、半径4 $R_{\odot}$ で、対流層が約0.8 $R_{\odot}$ まで延びるMESA星の進化モデルを初期状態として用いた。
• 質量損失、角運動量の蓄積、エネルギー散逸の変化を追跡し、表面の元素豊度変化と回転速度の診断を実施した。
• 蒸発と加熱の収束性を評価するため、特に表面に近い通過段階（グラーシングフェーズ）において解像度テストを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホットジュピターが赤超巨星の対流層を通過する過程で、どの程度の割合で蒸発するか？
• RQ2 惑星物質の混合によって、表面リチウムやその他の元素の豊度はどの程度変化するか？
• RQ3 星にどの程度の角運動量が移動し、星の包層のスピンアップはどの程度か？
• RQ4 抵抗加熱や再結合によって発生するエネルギーが、観測可能な光学的トランスジェントを駆動できるか？
• RQ5 特に初期のグラーシングフェーズにおいて、数値的解像度の変動にどの程度依存するか？

主な発見

• ホットジュピターの質量のおよそ90％が対流層で蒸発し、その大部分が外層に混合された。
• 表面リチウムの豊度は約0.1 dex増加したが、オープンクラスタ内の固有の変動を考慮すると、統計的に有意とは言えない。
• 星はわずかなスピンアップを示し、包層の大部分は約1 km s$^{-1}$ の速度で回転しており、角運動量保存則と整合的である。
• 最大の表面回転速度は、飲み込まれた天体の質量に比例し、10 $M_{\rm{J}}$ の同伴では最大で約10 km s$^{-1}$ に達する。
• 表面近くの抵抗加熱は、元の星の光度を上回る可能性があり、明るいトランスジェントを駆動する可能性がある。
• 未束縛の噴出物（約10$^{-5}$ $M_{\odot}$）が再結合駆動型トランスジェントを引き起こし、飲み込み前のレベルの10倍の光度を数日間維持する可能性がある。