[論文レビュー] Stability Criteria for Mass Transfer in Binary Stellar Evolution

G. E. Soberman, E. S. Phinney+1 more|ArXiv.org|Mar 4, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用数 27

ひとこと要約

本稿は、赤色巨星–中性子星連星における物質移動安定性を統一的枠組みで分析するものであり、熱的および力学的時標識における物質移動の安定性条件を導出している。安定性は、風の単位質量あたりの角運動量が系の換算質量の角運動量を上回らない場合に維持され、大多数の系が非保存的物質移動モデルにおいて安定であることが示された。

ABSTRACT

The evolution of a binary star system by various analytic approximations of mass transfer is discussed, with particular attention payed to the stability of these processes against runaway on the thermal and dynamical timescales of the mass donating star. Mass transfer in red giant - neutron star binary systems is used as a specific example of such mass transfer, and is investigated. Hjellming and Webbink's (1987) results on the dynamic timescale response of a convective star with a core to mass loss are applied, with new results. It is found that mass transfer is usually stable, so long as the the wind's specific angular momentum does not exceed the angular momentum per reduced mass of the system. This holds for both dynamical and thermal timescales. Those systems which are not stable will usually transfer mass on the thermal timescale. Included are graphs illustrating the variation of the Roche radius exponent with mass ratio in the binary, for various parameters in the non-conservative mass transfer, as well as evolutionary paths of interacting red giant neutron star binaries.

研究の動機と目的

• 近接連星系における物質移動をモデル化する統一的理論的枠組みを確立し、とくにランウェイ過程に対する安定性を対象とする。
• 保存的および非保存的（風駆動型）のさまざまな物質移動モードを想定し、赤色巨星–中性子星連星における物質移動の安定性を調査する。
• 低質量供給星および密な伴星を有する系において、物質移動が熱的または力学的時標識で安定に進行する条件を特定する。
• 質量損失メカニズム（例：等方的再放射、プロペラーエジェクション）が、特に低質量X線連星（LMXB）および低質量連星パルサー（LMBP）の前身星において、軌道進化と安定性に与える影響を定量化する。
• 非保存的物質移動が白色矮星–中性子星連星における観測された周期–核質量関係に与える影響を評価する。

提案手法

• 円形軌道かつ偏心率が無視できるものと仮定し、角運動量およびケプラーの法則を用いて物質移動下での軌道進化の運動学的式を導出する。
• ヘルミングおよびウェブインク（1987）の対流星の質量損失に対する応答に関する結果を応用し、力学的および熱的時標識における安定性をモデル化する。
• 物質損失に伴うローチューブ半径の感度を定量化する次元なしパラメータ $\zeta_L = \partial \ln r_L / \partial \ln m$ を導入し、安定性評価に用いる。
• 風の単位質量あたりの角運動量 $\ell_{\rm wind}$ が系の換算質量の角運動量 $\ell_{\rm red}$ を超えない条件 $\ell_{\rm wind} \leq \ell_{\rm red}$ を、主要な安定性基準として採用する。
• 非保存的物質移動を等方的再放射およびエディングトン限界付加速度を用いてモデル化し、$\beta = \max(0, \dot{m}_g / \dot{m}_{X,{\rm Edd}} - 1)$ を用いて質量噴出を記述する。
• 数値シミュレーションおよび図版（図8～11）による図的分析を通じて、保存的、等方的風、エディングトン限界の各物質移動モードにおける進化経路を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤色巨星–中性子星連星における物質移動は、どのような条件下で熱的および力学的時標識で安定するか？
• RQ2 風の単位質量あたりの角運動量は、連星系における物質移動の安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非保存的物質移動メカニズム（例：等方的再放射）は、軌道進化においてどれほど保存的物質移動を模倣するか？
• RQ4 供給星の核質量は、対流的外層における物質移動の安定性を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 異なる物質移動モードは、白色矮星–中性子星連星における最終的周期–核質量関係にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 風の単位質量あたりの角運動量が系の換算質量の角運動量を超えない限り、物質移動は熱的および力学的時標識の両方で一般的に安定である。
• 核質量が小さく、質量比 $q \approx 0.7$ の系が最も安定しやすく、$\zeta_L$ は $-0.7$ から $-0.2$ の範囲にある。
• 核質量が非常に小さいかゼロで、かつ $\alpha \to 1$（質量損失効率が高い）となる系でのみ、力学的時標識で不安定化する。
• 低 $q$ および高 $\alpha$ の場合、供給星の核質量が小さい場合には熱的時標識の不安定化が生じ得るが、これは図5で示された通りである。
• 等方的再放射またはエディングトン限界噴出を伴う非保存的物質移動は、保存的進化を非常によく模倣し、軌道周期の変化は数パーセント以内に収まる。
• 最終的な白色矮星の核質量および軌道周期は、主に最終状態に依存し、中性子星の質量に弱い依存性しか示さないため、$P$–$m_c$ 関係が強固な理論的ツールであると裏付けられる。